Устройство и способ измерения высокого напряжения
HIGH-VOLTAGE MEASURING DEVICE AND METHOD

Изобретение относится к области электротехники в частности к измерительным устройствам высокого напряжения в цепях питания и управления промышленного оборудования.
Измерение высоких напряжений является одной из основных задач при эксплуатации высоковольтного оборудования. Сложность измерения высоких напряжений обусловлена тем, что на точность измерения оказывают влияние факторы, имеющие сложные и случайные зависимости от частоты, напряжения, тепловых явлений и внешних условий.
Известны устройства для измерения напряжения в линиях электропередачи сети электропитания с переменным напряжением. В некоторых вариантах реализации в таких устройствах применяются измерительные трансформаторы для преобразования переменного сетевого напряжение в более низкое переменное напряжение для гарантирования гальванической развязки самого измерительного прибора от сети электропитания и получения напряжения, используемого измерительными устройствами.
Основным недостатком данного способа является то, что измерительные трансформаторы работаю только с переменным напряжением, а также являются дорогостоящими и имеют значительные габариты, в трехфазных сетях необходимо использовать указанный трансформатор для каждой фазы, что в условиях ограниченного пространства шкафа электротехнического устройства существенно влияет на эргономические показатели устройства.
Одним из способов устранения указанных недостатков, является изготовление прибора для измерения напряжения, который измеряет собственное сетевое напряжение с применением микропроцессорного контроллера с аналого-цифровым преобразователем и трансформатора, входящего в состав измерительного прибора с функцией питания его элементов.
Из патента на изобретение № RU 2584177 от  20.05.2016 известен способ и устройство измерения высокого переменного напряжения, согласно которому измерительное устройство с гальванической развязкой для измерения переменного напряжения содержит измерительную схему, имеющую микроконтроллер, схему питания, которая может осуществлять питание измерительной схемы, трансформатор (T), имеющий первичную обмотку, питаемую при помощи сетевого синусоидального напряжения (U1) и соединенную с линией электропередачи, и вторичную обмотку. Вторичная обмотка соединена с измерительной схемой и со схемой питания. Схема питания и измерительная схема содержат соответственно первый и второй двухполупериодные выпрямительные элементы, отличающиеся друг от друга. Второй выпрямительный элемент сконфигурирован так, чтобы не создавать влияний нагрузки на вторичную обмотку трансформатора (T).
К недостатком, описанного технического решения, можно отнести, сниженную скорость передачи сигналов. Возможность измерения только переменного напряжения, а также использование в конструкции устройства стандартного трансформатора, что может привести к увеличению габаритов устройства и неточностям в измерении связанными с конструктивными особенностями трансформаторов. Также данное устройство не позволяет измерять напряжения турбинного вращения после отключения питающего напряжения.
Из патента на изобретение № RU 2516034 от 08.10.2012 МПК G01R 19/25 известно устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной сети. Описанное устройство содержит изоляционную конструкцию, первичный масштабный преобразователь тока, первичный масштабный преобразователь напряжения (высокоомный делитель напряжения), аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом, световод, приёмное устройство, блок питания, быстронасыщающийся трансформатор тока с дополнительной обмоткой, триггерное устройство. В запатентованном устройстве питание компонентов, находящихся на высоком потенциале сети реализовано от быстронасыщающегося трансформатора тока, включенного в высоковольтную сеть. Быстронасыщающийся трансформатор тока содержит дополнительную обмотку, подключаемую при отсутствии тока в высоковольтной сети триггерным устройством между высоковольтной сетью и делителем напряжения.
К недостаткам технического решения можно отнести увеличенные габариты устройства и сложность конструкции, также в данном изобретении не компенсируется погрешность, вносимая схемой питания, обусловленная включением в цепь делителя напряжения дополнительно первичной обмотки трансформатора, на которой падает часть измеряемого напряжения. Кроме того, коммутатор, подключающий обмотку трансформатора в цепь делителя напряжения, не обладает высокой надежностью. Также данное устройство не позволяет измерять напряжения турбинного вращения после отключения питающего напряжения.
Из патента на изобретение № RU2624977 от 11.04.2017, МПК G01R19/25 известен преобразователь тока и напряжения, который содержит опорный изолятор, измерительный модуль в состав которого входят первичный масштабный преобразователь тока, делитель напряжения, блок измерительного преобразователя, включающий аналого-цифровой преобразователь и оптический коммуникационный модуль, волоконно-оптическую линию передачи, дополнительный датчик тока, приемное коммуникационное устройство, блок питания и трансформатор питания с дополнительной вторичной обмоткой.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести сложность конструкции за счет использования измерительного и питающего трансформатора, что также влечет за собой увеличение габаритов устройства. Также данное устройство не позволяет измерять напряжения турбинного вращения после отключения  питающего напряжения.
Технической задачей, на решений которой направлено заявляемое техническое решения является создание устройства измерения высокого напряжения с возможностью измерения линейных и фазных напряжений, постоянного и переменного напряжения в широком диапазоне частот, с эффективной изоляцией устройства и входных контактов делителя друг от друга и от корпуса шкафа.
Технический результат, достигнутый от реализации изобретения заключается в:
-уменьшении габаритов устройства и упрощении его конструкции;
-повышении эффективности изоляции и охлаждения элементов конструкции устройства измерения высокого напряжения;
-повышении функциональности за счет обеспечения измерения линейных и фазных напряжений, постоянного и переменного напряжения в широком диапазоне частот;
-повышении точности и скорости выполнения измерений и передачи информации, посредством применения 16-розрядного микропроцессора с АЦП и оптико-волоконной линии связи с устройством обработки данных.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что измерительная схема и схема питания устройства измерения высокого напряжения, разделены высоковольтным высокочастотным трансформатором и заключены в общем изоляционном корпусе. Схема питания содержит, генератор переменного напряжения, связанный с первичной обмоткой высоковольтного высокочастотного трансформатора, при этом измерительная схема, содержит делитель напряжения с выводами для каждой фазы, которые помещены в изоляционные трубки. Также измерительная схема содержит микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, связанный с вторичной обмоткой высоковольтного высокочастотно трансформатора. При этом микроконтроллер связан с устройством обработки данных посредством оптической линии связи.
Согласно описанного варианту реализации изобретения, высоковольтный высокочастотный трансформатор содержит ферритовый сердечник вторичную и первичную обмотки, причем вторичная обмотка выполнена в виде витка высоковольтного кабеля с изоляцией, формирующего защитный экран, разделяющий питающую и измерительную схемы.
Установленный в устройстве микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем содержит цифровой компаратор, выполненный с возможностью определения частоты турбинного вращения двигателя при его отключении от питающего напряжения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 – общий вид устройства измерения высокого напряжения;
фиг.2 – общий вид устройства измерения высокого напряжения в изоляционном корпусе;
фиг.3 – высоковольтный высокочастотный трансформатор.
фиг.4 – функциональная электрическая схема устройства измерения высокого напряжения.
Измерение высокого напряжения необходимо в процессе эксплуатации сетей высоких напряжений для целей измерения мощности, для обеспечения работы защит и регистрации перенапряжений.
В одном из возможных вариантов реализации настоящего изобретения, устройство измерения высокого напряжения устанавливается в станциях управления электропогружными насосными установками.
Согласно предпочтительному варианту реализации устройство измерения высокого напряжения (фиг.1, 2) конструктивно выполнено в компактном изоляционном корпусе 1, преимущественно прямоугольной формы, с монтажными кронштейнами 2. На общем основании 3 установлена печатная плата 4 с размещенными в ее приделах высоковольтным высокочастотным трансформатором 5, обеспечивающим гальваническою развязку измерительной схемы 6 (фиг.4) и схемы питания 7. Также на общем основании 3 установлены элементы омического делителя напряжения 8, выводы 9 которого помещены в изоляционные трубки 10.
Схема питания 7 содержит генератор переменного напряжения 11, высоковольтный высокочастотный трансформатор 5 и стабилизатор напряжения 13, через который осуществляется питание элементов измерительной схемы 6, содержащей делитель напряжения 8 с выводами для каждой фазы, которые помещены в изоляционные трубки 10 (фиг.1,2), блок 14 предварительной обработки аналогового сигнала, а также микроконтроллер 15 со встроенным аналого-цифровым преобразователем, связанный с вторичной обмоткой 16 высоковольтного высокочастотно трансформатора 5, при этом микроконтроллер 15 связан посредством оптического приемопередатчика 23 и оптической линии связи 17 (фиг.3) с формирователем сигнала турбинного вращения 24, кроме того информацию об измеренном напряжении можно передать посредством оптического приемопередатчика 18 на внешнее устройство обработки.
Устройством обработки данных в одном из возможных вариантов реализации изобретения может быть представлено в виде микропроцессорного контроллера.
Микроконтроллер 15 со встроенным аналого-цифровым преобразователем содержит цифровой компаратор, обеспечивающий возможность определения частоты турбинного вращения двигателя при его отключении от питающего напряжения.
Также согласно заявляемому изобретению высоковольтный высокочастотный трансформатор 5 содержит ферритовый сердечник 20 с первичной обмоткой, установленный на печатной плате 4, причем вторичная обмотка 16 трансформатора выполнена в виде витка высоковольтного кабеля в изоляции 21, формирующего защитный экран 22 (фиг.3) от высокого напряжения, разделяющий питающую 7 и измерительную 6 схемы.
Основанный на использовании описанного технического решения способ измерения высокого напряжения заключается в том, что в пределах изоляционного корпуса измерительного устройства устанавливают схему питания с измерительной схемой.
Посредством высоковольтного высокочастотного трансформатора обеспечивают гальваническую развязку и питание измерительной схемы 6, содержащей микроконтроллер 15 со встроенным АЦП, блок предварительной обработки аналогового сигнала 14, связанный с делителем напряжения 8.
Высоковольтный высокочастотный трансформатор 5 устанавливают в пределах печатной платы помещенной в изоляционном корпусе измерительного устройства.  При этом вторичную обмотку выполняют в виде витка высоковольтного кабеля в изоляции, посредством чего формируют защитный экран, разделяющий питающую и измерительную схемы.
В питающей схеме 7 преобразуют постоянное напряжение в переменное, посредством генератора 11 фиг.4 Переменное напряжение, связанное с первичной обмоткой 12 трансформатора 5, гальванически развязано со вторичной обмоткой трансформатора подключенной через стабилизатор 13 к  измерительной схеме 7. В измерительной схеме входное напряжение уменьшают до требуемого, для АЦП уровня, посредством делителя напряжения 8. После чего, посредством микроконтроллера 15 со встроенным АЦП выполняют фильтрацию и оцифровку входного сигнала и посредством оптического приемопередатчика 18 оптической линии связи, передают сформированный цифровой сигнал устройству обработки данных.
Также посредством заявляемого технического решения определяют частоту турбинного вращения двигателя при отключении двигателя от питающего напряжения.
Заявляемое техническое решение способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая уменьшение габаритов устройства и упрощение его конструкции, а также повышение функциональности устройства, обеспечивая повышение скорости и точности измерений.