УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЦЕПЯХ С ПОЛНОЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Полезная модель относится к цифровому оборудованию для измерения и обработки мгновенных и действующих величин тока и напряжения в цепях, которые должны иметь полную гальваническую развязку от цепей измерения.
Цифровое оборудование для измерения и обработки мгновенных и действующих величин тока и напряжения в цепях, которые должны иметь полную гальваническую развязку от цепей измерения, известны из следующих источников:
1. Преобразователи тока и напряжения, с измерением тока и напряжения на основе эффектов Фарадея и Поккельса, например преобразователь типа NXVCT производства фирмы "NxtPhase T&D Corporation", описание на странице в сети интернет: http://pro-ln.ru/ru/production_services/nxvct.html;
2. Преобразователи тока и напряжения, с измерение тока и напряжения на основе эффекта Холла, например датчики типов NCS или ES производства концерна ABB, описание на странице в сети интернет: http://fmccgroup.ru/products/protecting_measuring/sensors.
В вышеуказанных источниках приведено описание преобразователей тока и напряжения, использующие цифровые преобразователи тока и напряжения, которые в качестве измеряющего элемента используют:
- Эффект Фарадея (эффект вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении через вещество, находящееся в магнитном поле);
- Эффект Поккельса (эффект возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении электрического поля);
- Эффект Холла (эффект изменение напряжения на гранях материала в зависимости от внешней напряженности магнитного поля, при условии протекания по материалу электрического тока).
В качестве гальванической развязки (изоляции) цепи с измеряемыми величинами от цепей измерения и обработки применен воздух и электротехнические изоляционные материалы.
Наиболее близким по технической сущности к патентуемому устройству измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой следует считать описанный в первом источнике преобразователь типа NXVCT производства фирмы "NxtPhase T&D Corporation" (NxtPhase).
Этот преобразователь содержит:
- Изоляционную колонну;
- Токовую головку, представляющую из себя несколько витков измерительного оптического волокна вокруг проводника с током;
- Три электрооптических кристалла (ячеек Поккельса);
- Кабельный тракт, включающий в себя кабельный бокс, фидерные и магистральные кабели;
- Модульный комплект электроники.
Модульный комплект электроники излучает в измерительное оптическое волокно и в электрооптические кристаллы (ячейки Поккельса) световую волну с определенной поляризацией.
При протекании тока в токовой головке вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое оказывает влияние на угол вращения поляризации света, проходящего по измерительному оптическому волокну.
При приложении напряжения возникает электрическое поле, которое начинает воздействовать на электрооптические кристаллы (ячейки Поккельса), и в них начинает изменяться поляризация света.
Модульный комплект электроники, приняв сигнал обратно из измерительного оптического волокна и электрооптических кристаллов (ячеек Поккельса) свет, измеряет его поляризацию, и вычисляет значение тока и напряжения, и производит дальнейшую цифровую обработку измеренных электрических величин.
Недостатком известного устройства измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой является сложность и дороговизна прибора, ввиду наличия дорогого и сложного оптического оборудования - излучающего лазера со строго определенной длиной волны, плоскостного и кругового поляризатора, измерительного оптического волокна, электрооптических кристаллов, приемника оптического излучения.
Полезной моделью решается задача создания устройства измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой с применением в его конструкции простых оптических компонентов.
Технический результат, который достигается полезной моделью, состоит в упрощении конструкции и снижении стоимости.
Это достигается тем, что в устройстве измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой, в цепь с измеряемыми электрическими величинами вводятся устройства для аналогового измерения тока - электромагнитный трансформатор тока или токовый шунт, и измерения напряжения - емкостной делитель напряжения. На потенциале цепи с измеряемыми электрическими величинами размещается аналого-цифровое устройство, позволяющее преобразовать мгновенные значения тока и напряжения, снятые с устройств измерения, в цифровой код, который в дальнейшем может быть обработан в цифровом виде без дополнительного преобразования. Аналого-цифровое устройство излучает световой поток соответственно преобразованного кода с помощью светоизлучателя, который направляется по воздушному промежутку или по оптическому волокну в цифровое устройство обработки электрических величин, где обрабатывается в цифровом виде без дополнительного преобразования. Питание на аналого-цифровое устройство подается от световой батареи, которая постоянно освещена световым потоком от внешнего светоизлучателя через воздушный промежуток или оптическое волокно.
Введением простых устройств измерения тока (электромагнитного трансформатора тока или токового шунта) и напряжения (емкостного делителя напряжения) в связке с аналого-цифровым преобразователем на стороне цепи с измеряемыми электрическими величинами, с передачей цифрового кода для обработки по оптическому каналу связи, который и является гальванической развязкой, позволит отказаться от сложных и дорогих оптических устройств измерения напряженности магнитного и электрического поля.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображен эскиз патентуемого устройства измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой.
Устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой содержит часть цепи 1, в которой производится измерение электрических величин. В цепь 1 включено устройство для измерения тока - электромагнитный трансформатор тока 2 или токовый шунт 3. К цепи 1 подключена верхняя обкладка 4, которая совместно со средней обкладкой 5 и нижней обкладкой 6 образует емкостной делитель напряжения. На потенциале цепи 1 размещено аналого-цифровое устройство 7 со световой батареей 8 и светоизлучателем 9. Части, находящиеся на потенциале цепи с измеряемыми электрическими величинами, располагаются на изоляционной колонне 10. На потенциале обработки электрических величин находится устройство обработки электрических величин 11 и светоизлучатель 12.
Устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой работает следующим образом. При протекании измеряемого тока через цепь 1, и соответственно через электромагнитный трансформатор тока 2 или токовый шунт 3, на выводах этих устройств будет появляться величина, пропорциональная измеряемому току в цепи 1. Ввиду того, что изоляция между цепью 1 и электромагнитным трансформатором тока 2 или токовым шунтом 3 требуется минимальная, эти устройства будут иметь высокую точность преобразования. При приложении напряжения в цепи 1 относительно другого потенциала (на котором находится устройство обработки электрических величин 11) между верхней обкладкой 4 и нижней обкладкой 6 образуется электрическое поле. Между верхней обкладкой 4 и средней обкладкой 5 соответственно появится напряжение, который будет пропорционально напряжению между обкладками 4 и 6, то есть измеряемому напряжению. Ввиду того, что обкладка 5 находится достаточно близко к обкладке 4 (то есть к обкладке с потенциалом цепи с измеряемыми электрическими величинами), изменение внешнего фона электрического поля за счет изменения положения каких-либо внешних предметов даст очень незначительное изменение потенциала на обкладке 5, то есть измерение напряжения будет производиться с высокой точностью, несмотря на вносимые искажения в электрическое поле от внешних предметов. Аналого-цифровое устройство 7 получает сигналы от трансформатора тока 2 или токового шунта 3 и напряжение от обкладок 4 и 5. Эти сигналы в аналого-цифровом устройстве 7 преобразуются в цифровой код. Промодулированный кодом световой поток от светоизлучателя 9 направляется в устройство обработки электрических величин 11, где преобразуется обратно в цифровой код, где и обрабатывается в цифровом виде без дополнительного преобразования. Светоизлучатель 12 генерирует световой поток на световую батарею 8, которая преобразует этот световой поток в электрическую энергию, за счет которой и питается аналого-цифровое устройство 7.
Таким образом, создано устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой без применения дорогого и сложного оптического оборудования - излучающего лазера со строго определенной длиной волны, плоскостного и кругового поляризатора, измерительного оптического волокна, электрооптических кристаллов, приемника оптического излучения с сохранение полной гальванической развязки.