УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕСУРСА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Заявляемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для определения остаточного ресурса устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), применяемых для защиты электрических сетей и оборудования от микросекундных импульсов перенапряжения, возникающих в результате ударов молний, коммутаций мощных нагрузок, а также поможет при планировании диагностических мероприятий, ремонтных работ, сроков и объемов замены УЗИП.
В настоящее время в качестве устройства контроля УЗИП используются счетчики импульсов, например, счетчик (регистратор) французской фирмы «CITEL» (http://www.citel.ru), предназначенный для регистрации импульсов тока, протекающих в цепях установки УЗИП при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений. Оценка показаний счетчика позволяет осуществлять контроль активности УЗИП и на этом основании делать некоторые предположения о расходовании его ресурса.
Известен электромагнитный счетчик импульсов тока СИТЭ-100К-1, выпускаемый фирмой ЗАО «Хакель Рос» (http://www.hakel.ru).
Счетчик состоит из последовательно соединенных датчика тока, формирователя сигнала, пороговой схемы и центрального процессорного устройства (ЦПУ). Недостатком счетчика, равно как и всех прочих регистраторов числа срабатываний, является то, что они реагируют на факт протекания тока, величина которого больше определенного значения, но не дают представления об энергетических характеристиках воздействий, которым подвергается УЗИП, и, следовательно, по показаниям счетчика нельзя точно определить остаточный ресурс УЗИП.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство контроля ресурса УЗИП (патент на ПМ №134663, опубл. 20.11.2013), состоящее из последовательно соединенных датчика тока, формирователя сигналов, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и центрального процессорного устройства (ЦПУ).
Принцип работы устройства основан на измерении электрического заряда путем интегрирования тока, протекающего через УЗИП во время его срабатывания, и вычислении остаточного ресурса УЗИП как разности между первичным ресурсом, выраженным в единицах заряда, и частью ресурса, потерянной при коммутации импульса тока. В качестве первичного ресурса используется суммарный электрический заряд, который способен пропустить через себя УЗИП за весь период эксплуатации.
Недостатком данного устройства является косвенный метод определения заряда, основанный на преобразовании импульса тока в массив цифровых отсчетов с последующим суммированием, приводящий к большой погрешности измерения заряда импульсов большой длительности.
Предположим, что устройство предназначено для определения остаточного ресурса УЗИП SPC1 150, выпускаемых ЗАО «Хакель Рос» (http://www.hakel.ru), а для дискретизации импульса тока используется 8-разрядный АЦП. Технические характеристики УЗИП приведены в табл. 1.
Для выполнения измерений полная аналоговая шкала АЦП должна соответствовать максимальному разрядному току (8/20 мкс) Imax=150 кА. Тогда величина младшего значащего разряда LSB=Imax/256=0,6 кА.
На фиг. 1 приведены импульсы тока, соответствующие параметрам SPC1 150 и коммутирующие одинаковый заряд 2,5 Кл.
Из фиг. 1 видно, что амплитуда импульса 8/20 мкс примерно в 28 раз больше амплитуды импульса 10/350 мкс. При этом значительная часть импульса 10/350 мкс оказывается ниже разрешающей способности АЦП и не участвует в вычислении заряда, что является основной составляющей погрешности измерения.
Дополнительную погрешность дает разница в  между величиной аналогового сигнала и его цифровым эквивалентом, известная как погрешность квантования.
В табл. 2 приведены результаты расчетов ожидаемых погрешностей определения заряда для импульсов тока 8/20 мкс и 10/350 мкс различной амплитуды.
Из графиков фиг. 1 и данных табл. 2 видно, что способ определения заряда, используемый в данном устройстве, не обеспечивает нужной точности измерений во всем диапазоне входных сигналов.
Технический результат заключается в повышении точности устройства. Для получения указанного технического результата устройство контроля ресурса УЗИП, состоящее из последовательно соединенных датчика тока и формирователя сигналов, а также аналого-цифрового преобразователя и центрального процессорного устройства, дополнительно снабжено первым и вторым аналоговыми интеграторами, входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя сигнала, а выходы с первым и вторым входами дополнительно введенного аналогового сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.
Результат достигается за счет непосредственного преобразования импульса тока в напряжение, пропорциональное коммутируемому заряду, путем аналогового интегрирования. При этом полностью устраняется зависимость результата от амплитуды и длительности входного импульса.
На фиг. 1 приведены импульсы тока, соответствующие параметрам SPC1 150 и коммутирующие одинаковый заряд 2,5 Кл., на фиг. 2 - блок-схема заявляемого устройства, на фиг. 3 - графики напряжения на входе и выходе интегратора, на фиг. 4 - пример реализации устройства контроля ресурса УЗИП.
Устройство контроля ресурса УЗИП (фиг. 2) состоит из последовательно соединенных датчика тока 1, формирователя сигналов 2, первого аналогового интегратора 3, второго аналогового интегратора 4, входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя сигнала 2, а выходы с первым и вторым входами аналогового сумматора 5, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6, последовательно соединенного с центральным процессорным устройством 7.
Пусть заявляемое устройство также предназначено для определения остаточного ресурса УЗИП SPC1 150 и в нем также используется 8-разрядный АЦП. Для выполнения измерений полная аналоговая шкала АЦП должна соответствовать коммутируемому заряду Q=10 Кл, а величина младшего значащего разряда LSB=Q/256=0,04 Кл. Тогда для заявляемого устройства, при прочих равных условиях, основной составляющей погрешности измерения будет погрешность квантования .
В табл. 3 приведены результаты расчетов ожидаемых погрешностей определения заряда для данного случая.
Устройство работает следующим образом. Через датчик тока 1 протекает импульс тока, проходящий через УЗИП при его срабатывании, где он линейно преобразуется в импульс напряжения. Формирователь сигнала 2 преобразует импульс датчика 1 в пару импульсов напряжения противоположной полярности. Каждый из двух аналоговых интеграторов 3, 4 формирует на выходе напряжение, пропорциональное площади отрицательной составляющей выходного сигнала формирователя и, как следствие, заряду, перенесенному импульсом тока. Положительная составляющая сигнала подавляется (фиг. 3).
Аналоговый сумматор 5 предназначен для объединения сигналов интеграторов 3, 4 и согласования с динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, который производит периодические выборки аналогового сигнала и преобразует их в цифровую форму для анализа центральным процессорным устройством (ЦПУ) 7. ЦПУ 7 сравнивает текущее состояние выхода АЦП 6 с предыдущим, находит значение, после которого сигнал перестает увеличиваться, и пересчитывает его в заряд, прошедший через УЗИП.
Пример реализации устройства контроля ресурса УЗИП приведен на фиг. 1.
В качестве датчика тока 1 можно использовать измерительный трансформатор тока Т1 с нагрузочным резистором R1. Конструктивно трансформатор тока Т1 представляет собой тороидальную катушку с магнитным сердечником. Катушка трансформатора Т1 содержит только вторичную обмотку. Первичной обмоткой является проводник, продетый через центральное отверстие катушки и последовательно соединенный с УЗИП. Число витков вторичной обмотки трансформатора тока Т1 и сопротивление нагрузочного резистора R1 совместно определяют коэффициент преобразования входного тока датчика в выходное напряжение.
Формирователь сигнала 2 состоит из резисторов R2, R3.
Первый аналоговый интегратор 3 (DA1, C1, R6, R8, C3) и второй аналоговый интегратор 4 (DA2, C2, R7, R9, C4) включены по инвертирующей схеме с однополярным питанием. Резисторы R4, R5 и диодная сборка VD1 предназначены для первичного подавления положительной составляющей сигнала формирователя 2.
Аналоговый сумматор 5 состоит из операционного усилителя DA3 и резисторов R10, R11, R12, R13.
Аналого-цифровой преобразователь 6 и центральное процессорное устройство 7 могут быть реализованы совместно на базе стандартного однокристального микроконтроллера со встроенным АЦП. ЦПУ 7 микроконтроллера должно включать в себя встроенную энергонезависимую память, допускающую возможность записи данных для хранения текущего значения остаточного ресурса при пропадании напряжения питания устройства.
Предлагаемое устройство может быть реализовано с использованием аналоговых интегральных микросхем и микроконтроллеров общего применения, функционирующих от единственного источника питания положительной полярности, имеющего стандартное напряжение, например, +3,3 В или +5,0 В.
Таким образом, использование устройства контроля состоянием УЗИП позволяет определить его остаточный ресурс и при этом повысить точность устройства за счет аналогового интегрирования входного сигнала.