УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕСУРСА УЗИП

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 так же 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.citl.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.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является 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).
Датчик тока предназначен для регистрации и линейного преобразования импульсов тока, протекающего через УЗИП, в импульс напряжения. Чувствительность датчика определяет нижний порог срабатывания счетчика и может настраиваться в соответствии с требуемым динамическим диапазоном импульсов тока.
Формирователь сигнала служит для выпрямления импульса напряжения, а также для его ограничения по амплитуде.
Пороговая схема формирует счетный импульс для подачи на центральное процессорное устройство ЦПУ, выполненное на основе микроконтроллера. Общее количество зарегистрированных импульсов можно наблюдать на индикаторе.
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 следователь, по показаниям счетчика нельзя точно определить остаточный ресурс УЗИП.
В предлагаемом устройстве контроля ресурса УЗИП измерение электрического заряда производится путем интегрирования тока, протекающего через УЗИП во время его срабатывания, и вычисление 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 УЗИG за весь период эксплуатации.
Выбор электрического заряда в качестве критерия оценки ресурса обусловлен методикой проведения испытаний в соответствии с российским ГОСТ Р 51992 и международным МЭК 61643-1 стандартами, определяющими технические требования и методы испытаний УЗИП.
Заряд  и удельная энергия  являются интегральными энергетическими характеристиками, которые служат основой для выбора параметров специальных импульсов, предназначенных для проведения классификационных испытаний УЗИП. Эти испытания определяют суммарное воздействие, которое должен выдерживать УЗИП без потери работоспособности. Поскольку никаких дополнительных ресурсных испытаний стандартами не предусмотрено, считаем, что суммарный заряд или суммарная энергия данной серии испытательных импульсов может служить в качестве исходной величины ресурса для конкретного типа УЗИП.
Для иллюстрации влияния формы импульса тока на величину переносимого им заряда приведем расчетные данные для двух стандартных импульсов тока, применяемых при проведении испытаний УЗИП:
- 8/20 мкс,
- 10/350 мкс.
1. Для определения параметров стандартных импульсов тока 8/20 мкс воспользуемся аналитическим выражением, приведенным в стандарте IEEE C62.41, стр.51. Для импульса 8/20 мкс, имеющего амплитуду 20 кА, функциональная зависимость тока от времени i(t) будет иметь следующий вид:
Расчетная осциллограмма изображена на фиг.1.
Диаграмма зависимости величины коммутируемого через УЗИП заряда от амплитуды импульса тока 8/20 мкс в диапазоне токов 1…20 кА приведена на фиг.2.
2. Для определения параметров стандартных импульсов тока 10/350 мкс воспользуемся аналитическим выражением, приведенным в стандарте IEEE C62.41, стр.57 для импульса 10/1000 мкс, проведя некоторую корректировку параметров. Для импульса 10/350 мкс, имеющего амплитуду 20 кА, функциональная зависимость тока от времени i(t) будет иметь следующий вид:
Расчетная осциллограмма изображена на фиг.3.
Диаграмма зависимости величины коммутируемого через УЗИЛ заряда от амплитуды импульса тока 10/350 мкс в диапазоне токов 1…20 кА приведена на фиг.4.
Анализируя данные фиг.2 и фиг.4, можно определить, что величина заряда, коммутируемого УЗИЛ при воздействии на него импульса 10/350 мкс примерно в 27 раз больше величины заряда, характерного для импульса 8/20 мкс, имеющего такую же амплитуду. Это доказывает, что для определения ресурса УЗИЛ необходимо производить именно измерение электрического заряда.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является возможность оценки технического состояния УЗИЛ в условиях эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении достоверности оценки качества и надежности УЗИЛ.
Для получения указанного технического результата устройство контроля ресурса УЗИЛ, состоящее из последовательно соединенных датчика тока и формирователя сигналов, а так же центрального процессорного устройства, дополнительно снабжено аналого-цифровым преобразователем, включенным между формирователем сигнала и центральным процессорным устройством, выполненным с возможностью определять заряд, прошедший через устройство, как интеграл тока по времени. Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами: фиг.1 - функциональная зависимость тока от времени для импульсов тока 8/20 мкс.;
фиг.2 - диаграмма зависимости величины коммутируемого через УЗИП заряда от амплитуды импульса тока 8/20 мкс.;
фиг.3 - функциональная зависимость тока от времени для импульсов тока 10/350 мкс.;
фиг.4 - диаграмма зависимости величины коммутируемого через УЗИП заряда от амплитуды импульса тока 10/350 мкс.;
фиг.5 - блок-схема устройства контроля ресурса УЗИП.
Устройство контроля ресурса УЗИП (фиг.5) состоит из последовательно соединенных датчика тока 1 и формирователя сигналов 2, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3, центрального процессорного устройства (ЦПУ) 4.
Устройство работает следующим образом. Через датчик тока 1 протекает импульс тока, походящий через УЗИП при его срабатывании, где он линейно преобразуется в импульс напряжения. Импульс напряжения поступает в формирователь сигнала 2, где происходит согласование сигнала датчика 1 с динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразователя 3. АЦП 3 преобразует аналоговый сигнал в массив цифровых отсчетов, который далее поступает в центральное процессорное устройство 4 для последующей обработки.
На основе полученных данных ЦПУ4 определяет заряд, прошедший через УЗИП, как интеграл тока по времени, используя одну из формул численного интегрирования, например, формулу трапеций с постоянным шагом интегрирования:
,
где: Δt - интервал дискретизации сигнала по времени,
- мгновенное значение сигнала в момент времени где (абсолютное значение),
- мгновенное значение сигнала в момент времени n·Δt (абсолютное значение).
Для повышения точности измерений может проводиться калибровка датчика 1 с введением программной компенсации его нелинейности. Для этого ЦПУ 4 определяет амплитуду и длительность импульса тока, используя стандартные алгоритмы обработки массива данных.
В конечном итоге ЦПУ 4 пересчитывает измеренное значение заряда в потерянную часть ресурса и вычисляет остаточный ресурс УЗИП.
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.
В качестве датчика тока 1 можно использовать измерительный трансформатор тока с нагрузочным резистором. Конструктивно трансформатор тока представляет собой тороидальную катушку с магнитным сердечником. Катушка трансформатора содержит только вторичную обмотку. Первичной обмоткой является проводник, продетый через центральное отверстие катушки и последовательно соединенный с УЗИП. Число витков вторичной обмотки трансформатора тока и сопротивление нагрузочного резистора совместно определяют коэффициент преобразования входного тока датчика в выходное напряжение.
В качестве формирователя сигнала 2 необходимо применить прецизионный выпрямитель, служащий для согласования выходного напряжения датчика 1, которое может иметь как положительную, так и отрицательную полярность, с входом АЦП 3, имеющего однополярное питание. Выпрямитель может быть реализован на двух операционных усилителях, имеющих входные каскады типа rail-to-rail (диапазон рабочих напряжений, близкий к напряжениям питания) и достаточную скорость нарастания выходного сигнала. Для этой цели может быть, например, использована одна микросхема AD8602.
Аналого-цифровой преобразователь 3 и центральное процессорное устройство 4 могут быть реализованы совместно на базе стандартного однокристального микроконтроллера, который должен иметь встроенный АЦП с достаточно малым временем преобразования. ЦПУ4 микроконтроллера должно иметь необходимый объем оперативного запоминающего устройства и включать в себя встроенную энергонезависимую память, допускающую возможность записи данных, для хранения текущего значения остаточного ресурса даже при пропадании напряжения питания устройства.
Таким микроконтроллером является, например, микросхема STM32F103.
Использование устройства контроля ресурса УЗИП, позволяет осуществлять контроль исправного состояния УЗИП, фиксировать превышение предельно допустимых значений импульсного тока для УЗИП каждой цепи и определять остаточный ресурс УЗИП.