УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ
DEVICE FOR MEASURING VOLTAGE IN HIGH-VOLTAGE CIRCUIT WITH REMOTE TRANSMISSION OF INFORMATION

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного напряжения, преимущественно в электроэнергетических сетях 6 (10) кВ и выше.
Прототипом является устройство, реализующее способ измерения (патент №2482503, МПК G01R 19/00, 20.05.2013), содержащий датчик напряжения, источник питания, микроконтроллер связи, аппаратуру связи, канал связи, внешнее устройство, экранирующий герметичный кожух. Датчик напряжения состоит из передающего датчика, включенного в токопровод, на котором производится измерение, выполненного с возможностью формирования излучения электромагнитных волн, интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине, и соединенного электромагнитной связью с приемным датчиком.
Известное устройство имеет следующие недостатки:
1) Сложность в настройке работы датчика напряжения, у которого передающий датчик (газоразрядная лампа) одним из электродов непосредственно подключен к токопроводу, а второй выполняет роль электрической антенны, подвешенной на малом расстоянии от токопровода. Геометрические размеры и формы электродов, газоразрядного промежутка, а также состав и давление газа в герметичном корпусе датчика должны быть оптимизированы под решение задачи.
2) Сложность в настройке работы датчика напряжения, у которого в качестве приемного датчика использован фотодиод, спектральная чувствительность которого должна быть оптимизирована под спектр излучения передающего датчика.
3) Нелинейная зависимость выходных характеристик.
Задачей изобретения является разработка устройства для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, в котором устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности измерений за счет исключения сложности в настройке датчика напряжения, в состав которого входит передающий и приемный датчики, за счет исключения нелинейной зависимости выходных характеристик.
1
2
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, содержащий датчик напряжения, источник питания, микроконтроллер связи, аппаратуру связи, канал связи, внешний приемник, экранирующий герметичный кожух, согласно настоящему изобретению датчик напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, первой обкладкой которого является токопровод, второй - металлический изолированный стержень, параллельный токопроводу, подвешенный на малом расстоянии от первой обкладки, при этом измеренное значения разности потенциалов между обкладками позволяет вычислить напряжение на фазном проводе линии по уравнению , где ΔU - это измеренная разность потенциалов между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; ; С - емкость между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; С - емкость между металлическим изолированном стержнем и землей.
Таким образом, в предлагаемом устройстве для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации датчик напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, расстояние между обкладками осуществляется толщиной изоляции металлического изолированного стержня, длина стержня составляет 10-20 см. Датчик напряжения измеряет разность потенциалов между обкладками и передает аналоговый сигнал на микроконтроллер связи, выполненный с возможностью расчета фазного напряжения по заданному уравнению 1 и преобразования его в электрический сигнал:
1
2
где ΔU - это измеренная разность потенциалов между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем;  C - емкость между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; С - емкость между металлическим изолированном стержнем и землей.
Уравнение 1 позволяет получить линейную зависимость между измеренной разностью потенциалов обкладок и рассчитанным фазным напряжением линии, что позволяет увеличить надежность и точность измерения в отличие от прототипа, где выходные характеристики имеют нелинейную зависимость. Применение емкостного делителя напряжения в качестве датчика напряжения упрощает конструкцию устройства, тем самым также повышает надежность и точность измерения.
Источник питания выполнен в виде низковольтного трансформатора тока (ТТ), включенного в токопровод, с возможностью получения постоянного напряжения, получаемого с трансформации тока, протекающего по токопроводу.
Для бесперебойного питания электронной части устройства при отсутствии тока на токоведущих частях ЭУ, вторичная цепь ТТ содержит резервирующий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора.
В качестве блока формирования измерительного сигнала в устройство введен микроконтроллер связи со встроенным аналогово-цифровым преобразователем, обеспечивающим оцифровку аналогового сигнала от датчика напряжения, дополнительную обработку оцифрованного сигнала и формирование сигналов телеизмерения (ТИ) на внешний приемник, находящийся под потенциалом низкого напряжения (земли). Микроконтроллер связи совместно с аппаратурой связи осуществляет сбор, преобразование, обработку, хранение и передачу полученной информации о величине измеряемого напряжения по каналу связи. Передача сигналов ТИ на внешний приемник, находящийся под потенциалом земли, осуществляется с помощью канала связи, выполненного в виде гальванической развязки, например, в виде GSM - канала или Wi-Fi канала.
Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, которая представлена на фиг. 1. Структурная схема емкостного делителя напряжения представлена на фиг. 2.
Цифрами на фиг. 1 и фиг. 2 обозначены:
1 - токопровод, на котором производится измерение;
2 - металлический изолированный стержень малой длины;
3 - датчик напряжения, выполненный в виде емкостного делителя напряжения;
4 - источник питания (источник постоянного напряжения);
5 - микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь;
6 - аппаратура связи;
7 - канал связи, выполненный в виде гальванической развязки (GSM, Wi-Fi или радиоканал);
8 - внешний приемник (индикатор или автоматизированная система управления, учета и контроля на объекте энергетики),
9 - экранирующий герметичный кожух.
Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации содержит датчик напряжения 3, источник питания 4, микроконтроллер связи 5, аппаратуру связи 6, канал связи 7, посредством которых производится передача информации о величине измеряемого напряжения на внешний приемник.
Отличием устройства является то, что вместо датчика напряжения, выполненного в виде газоразрядной лампы, предлагается использовать емкостной делитель напряжения между токопроводом и металлическим изолированным стержнем, который подвешен параллельно токопроводу на расстояние изоляции стержня. Измерение значения разности потенциалов между обкладками позволяет вычислить по формуле 1 напряжение на фазном проводе линии.
Датчик 3 напряжения измеряет разность потенциалов между токопроводом 1 и металлическим изолированным стержнем 2 и передает его микроконтроллеру 5 связи.
Источник питания 4 выполнен в виде низковольтного трансформатора тока (ТТ), включенного в токопровод, с возможностью получения постоянного напряжения, получаемого с трансформации тока, протекающего по токопроводу. Для бесперебойного питания электронной части устройства при отсутствии тока на токопроводе, вторичная цепь ТТ содержит резервирующий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора. Для надежности работы цепей измерения при внешних или внутренних перенапряжениях в токоведущих частях, во вторичную обмотку ТТ подключен дополнительно ограничитель перенапряжений.
Обмотка низковольтного трансформатора тока (источника питания 4) через вторичные цепи подключена к датчику напряжения 3, микроконтроллеру 5 связи и аппаратуре связи 6.
Микроконтроллер 5 связи соединен посредством аппаратуры 6 связи и канала 7 связи с внешним приемником 8 (индикатором или автоматизированной системы управления, учета и контроля на объекте энергетики).
Канал 7 связи выполнен в виде гальванической развязки (беспроводным) в виде GSM, Wi-Fi, радиоканала или др.
Металлический изолированный стержень находится снаружи токопровода 1 под потенциалом высокого напряжения, а само устройство размещено внутри экранирующего герметичного кожуха 9 в зоне отсутствия магнитных и электрических полей.
Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации работает следующим образом.
Токопровод 1, металлический изолированный стержень 2 и земля представляют из себя емкостной делитель напряжения, при подаче напряжения на токопровод, напряжение между ними распределится обратно пропорционально их емкостям. Измеряя датчиком напряжения 3 разность потенциалов между токопроводом 1 и металлическим изолированным стержнем 2, применяя уравнение 1, можно рассчитать значение фазного напряжения на токопроводе 1.
Микроконтроллер 5 связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, оцифровывает сигнал, полученный с датчика 3 напряжения 3, производит дополнительную обработку сигнала от датчика 3 напряжения и передачу соответствующего цифрового кода на аппаратуру 6 связи.
Аппаратура 6 связи из полученных от микроконтроллера 5 связи цифровых сигналов формирует согласно заложенным протоколам связи информационные сообщения - сигналы телеизмерения (ТИ) - и отсылает их на внешний приемник 8 (индикатор или автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики).
Питание схем устройства для измерения напряжения осуществляется источником питания 4, основным элементом которого является низковольтный трансформатор тока (ТТ), включенный в токопровод 1. Питающее напряжение с обмотки ТТ подается на вторичные цепи (на фильтрующий элемент, который содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения, стабилизирующий элемент, а также фильтр низких частот, которые на чертеже условно не показаны).
Устройство для измерения напряжения находится снаружи токопровода 1 под потенциалом высокого напряжения и размещено (за исключением металлического изолированного стержня 2) внутри экранирующего герметичного кожуха 9 в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, что позволяет отстроиться от электромагнитных полей (шумов) и защитить электронную аппаратуру устройства от коммутационных или грозовых перенапряжений.
Техническими результатами, обеспечиваемыми при использовании предлагаемого изобретения, по сравнению с устройством-прототипом, являются:
1) Повышение надежности и точности измерений за счет упрощения конструкции устройства, исключения сложности в настройке передающего и приемного датчика.
2) Повышение надежности и точности измерений за счет линейной зависимости выходных характеристик.