СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА УСТРОЙСТВЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL VOLTAGE ACROSS DEVICE FOR SWITCHING OFF ELECTRICAL POWER

Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам выключения электропитания и, в частности, относится к способу измерения уровней потенциала в устройстве выключения электропитания.
Уровень техники
В индустрии производства и распределения электроэнергии энергоснабжающие компании производят электроэнергию и распределяют ее среди потребителей. Для облегчения процесса распределения электричества используются различные типы устройств выключения электропитания. В сети распределения электричество течет через устройства выключения электропитания от источника электроэнергии (подстанции или чего-то подобного) к потребителю. При обнаружении неисправности в сети распределения устройство выключения электропитания размыкается и электрическое соединение разрывается.
В энергоснабжающей компании для обнаружения неисправностей в сети распределения используются различные блоки управления и защитные реле. В большинстве блоков управления используется микропроцессор, запрограммированный определенным образом реагировать на неисправность, причем реагирование осуществляется на основе типа неисправности и типа устройства выключения электропитания, соединенного с блоком управления. Блок управления может реагировать на конкретную неисправность, вызывая размыкание устройства выключения электропитания. В качестве альтернативы при обнаружении неисправности блок управления может вызывать многократное размыкание и замыкание устройства выключения электропитания.
Для того чтобы осуществлять наиболее эффективное отключение в распределительной сети и для изоляции неисправности блоки управления должны отслеживать как электрическое напряжение на устройстве выключения электропитания, так и электрический ток, текущий через устройство выключения электропитания. Если величина тока превышает заранее заданный порог в течение некоторого периода времени, то блок управления предписывает устройству выключения электропитания осуществить заранее заданные действия. Если неисправность не исчезает, то устройство выключения электропитания размыкается и остается разомкнутым.
Отслеживание уровней напряжения на устройстве выключения электропитания очень важно для определения, например, направления потока электроэнергии в случае, если устройство выключения электропитания имеет обратную связь или при синхронизации трех фаз электропитания. Кроме того, персонал энергоснабжающей компании может использовать эту информацию для отслеживания выхода и эффективности распределительных трансформаторов, поставляющих электроэнергию через устройства выключения электропитания. В настоящее время персонал энергоснабжающих компаний отслеживает уровни напряжения на устройствах выключения электропитания с помощью специальных трансформаторов напряжения, присоединенных к устройствам выключения электропитания. Блоки управления замеряют выходы трансформаторов напряжения и сообщают эту информацию мастерам или другим служащим энергоснабжающей компании. Уровни напряжения могут отслеживаться как на входном, так и на выходном разъемах устройства выключения электропитания.
Использование специального трансформатора напряжения в качестве устройства измерения напряжения достаточно обременительно и дорого, так как каждую фазу напряжения надо отслеживать отдельно от других. Если напряжение измеряется на обоих разъемах, то необходимо иметь два специальных трансформатора напряжения на каждую фазу и на опоре может не хватать места для каждого трансформатора напряжения. Одно решение заключается в использовании цепи делителя напряжения, соединенной с проводником силового устройства. В цепь делителя напряжения могут входить резисторы или конденсаторы. Обычно падение напряжения на импедансе нагрузки делителя (низковольтное плечо) измеряется относительно падения напряжения на опорном импедансе (высоковольтное плечо). Из этого отношения определяется значение потенциала.
Использование емкостного делителя напряжения в устройстве выключения электропитания для измерения напряжения описано в патенте США №4,074,193 (далее - патент '193). В патенте '193 описано использование отдельного цилиндрического проводника в качестве электрода, образующего часть высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения. Соответствующее напряжение низковольтного плеча емкостного делителя напряжения усиливается и передается на устройство измерения потенциала, измеритель или блок управления.
В настоящем изобретении исключается необходимость в отдельном специальном проводнике для высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения. Вместо этого в настоящем изобретении в устройстве выключения электропитания используется существующий экран устройства измерения тока, такого как, например, трансформатор или пояс Роговского. Емкостное соотношение между экраном и проводником с высоким напряжением образует высоковольтное плечо емкостного делителя напряжения. Благодаря использованию существующего экрана общая стоимость уменьшается на стоимость отдельного проводника. Настоящее изобретение также позволяет так настраивать емкостный делитель напряжения, чтобы получить большую точность при измерения потенциала на устройстве выключения электропитания.
Раскрытие изобретения
Способ определения потенциала на проводнике в устройстве выключения электропитания содержит следующие этапы:
снабжают устройство выключения электропитания трансформатором тока, размещенным в устройстве выключения электропитания, при этом трансформатор тока содержит экран, причем указанный экран по отношению к проводнику образует высоковольтное плечо емкостного делителя напряжения;
соединяют экран с низковольтным плечом емкостного делителя напряжения; и
измеряют потенциал на нижнем плече.
Способ определения потенциала на проводнике в устройстве выключения электропитания содержит следующие этапы:
снабжают устройство выключения электропитания катушкой, размещенной в устройстве выключения электропитания, при этом катушка содержит экран, причем указанный экран по отношению к проводнику образует высоковольтное плечо емкостного делителя напряжения;
соединяют экран с низковольтным плечом емкостного делителя напряжения, при этом низковольтное плечо содержит множество конденсаторов;
регулируют емкостный делитель напряжения посредством удаления, по крайней мере, одного из конденсаторов;
измеряют потенциал на низковольтном плече;
определяют значение потенциала.
Схема измерения потенциала для использования с устройством выключения электропитания содержит:
катушку, окруженную экраном;
проводник, причем катушка и экран расположены вокруг проводника;
диэлектрик, расположенный между экраном и проводником, так что диэлектрик, экран и проводник образуют высоковольтное плечо емкостного делителя напряжения, а низковольтное плечо содержит один или несколько конденсаторов.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на чертежи с помощью не ограничивающих изобретение иллюстративных вариантов осуществления изобретения, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначаются аналогичные элементы.
Фиг.1 - блок-схема, показывающая обычную конфигурацию выключения электропитания.
Фиг.2 - поперченный разрез устройства повторного включения, используемого в индустрии производства и распределения электроэнергии.
Фиг.3 - поперечный разрез трансформатора тока, установленного в устройстве выключения электропитания.
Фиг.4 - схематический вид схемы емкостного делителя напряжения, соответствующей одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана блок-схема обычной конфигурации 100 выключения электропитания. Конфигурация 100 выключения электропитания содержит устройство 110 выключения электропитания, которое последовательно подключено между источником 120 электроэнергии и нагрузкой 130. Электрическая цепь между источником 120 электроэнергии и нагрузкой 130 называется сетью 140 распределения электроэнергии. Устройство 110 выключения электропитания соединено с блоком 112 управления с помощью двунаправленной коммуникационной шины 114. Благодаря микропроцессору 115 блок 112 управления обладает возможностью отслеживать неисправности и рабочие параметры устройства 110 выключения электропитания. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используется микропроцессор Motorola HC12D60. Пользователь 118 конфигурирует блок 112 управления и получает информацию от блока 112 управления через пользовательский интерфейс 116. Пользовательский интерфейс 116 присоединен к блоку 112 управления через коммуникационные средства 122. Для простоты сеть 140 распределения показана в виде однофазной, являющейся частью трехфазной цепи. Другие две фазы аналогичны.
Устройство 110 выключения электропитания соединяет источник 120 электроэнергии с нагрузкой 130. Источник 120 электроэнергии, используемый в настоящем изобретении, является подстанцией, которая представляет собой, например, источник трехфазного переменного тока, напряжение которого находится в пределах от 1 киловольта (кВ) до 40 кВ. Отдельный распределительный трансформатор или группа трансформаторов, соединенных вместе, образуют нагрузку 130. Трансформаторы могут представлять собой трехфазные трансформаторы для промышленного применения или однофазные трансформаторы, используемые для подачи электроэнергии бытовому потребителю.
Энергоснабжающие компании в конфигурации 100 выключения электропитания используют три типа устройств 110 выключения электропитания: прерыватели, размыкатели и устройства повторного включения. Каждое устройство 110 выключения электропитания выполняет заранее запрограммированные действия в случае, когда блок 112 управления обнаружит состояние неисправности в сети 140 распределения электроэнергии. Например, при обнаружении состояния неисправности прерыватель размыкается и остается разомкнутым. Размыкатель размыкается после неисправности, но пытается замкнуться перед тем, как остаться разомкнутым в случае, когда неисправность остается. Устройство повторного включения размыкается и замыкается много раз при сохранении состояния неисправности. Размыкаясь и замыкаясь много раз, устройство повторного включения пытается устранить неисправность. При сохранении состояния неисправности устройство повторного включения размыкается и остается разомкнутым до тех пор, пока его не возвратят в исходное положение вручную. Когда это происходит, устройство повторного включения приводится в состояние «блокировки».
Состояние неисправности имеет место тогда, когда одна фаза электроэнергии замыкается накоротко на землю, фазы закорачиваются друг на друга или когда молния ударяет в сеть 140 распределения. При возникновении состояния неисправности через сеть 140 распределения протекает очень большой ток. Блок управления 112 отслеживает уровни тока и напряжения, передаваемые ему устройством 110 выключения электропитания. Устройство 110 выключения электропитания посылает эту информацию блоку 112 управления через двунаправленную коммуникационную шину 114. Когда блок 112 управления обнаруживает аномальный уровень тока, блок 112 управления передает сигналы устройству 110 выключения электропитания для выполнения заранее запрограммированных действий. В настоящем изобретении используются, например, два блока 112 управления - ИУУ (интеллектуальное устройство управления) и ПУУ (программируемое устройство управления), выпускаемые фирмой ABB Инкорпорейтед.
Пользователь 118 может быть мастером энергоснабжающей компании, который находится рядом с устройством выключения электропитания. В качестве пользовательского интерфейса 116 мастер может использовать портативный компьютер и подсоединяться непосредственно к последовательному порту блока 112 управления. Соединение с последовательным портом представляет собой коммуникационное средство 122. Другой пользователь 118 может быть лицом, которое осуществляет техническое обслуживание в энергоснабжающей компании и которое дистанционно регистрируется в блоке 112 управления. Например, лицо, которое дистанционно осуществляет техническое обслуживание в энергоснабжающей компании, использует настольный компьютер в качестве пользовательского интерфейса 116 и модем в качестве коммуникационного средства 122 для соединения с блоком 112 управления.
На фиг.2 показан поперечный разрез обычного устройства 110 выключения электропитания, представляющего собой устройство 200 повторного включения, такое как однофазное устройство повторного включения OVR 1, изготавливаемое фирмой ABB Inc. Ток, текущий через устройство 200 повторного включения от соединительного устройства H1, обозначенного ссылочной позицией 212, через вакуумный прерыватель 230 и узел 224 передачи тока к соединительному устройству Н2, обозначенному ссылочной позицией 214. Вакуумный прерыватель 230 содержит корпус, в котором расположены неподвижный контакт 232 и подвижный контакт 234. Неподвижный контакт 232 непосредственно соединен с соединительным устройством H1 212. Узел 224 передачи тока обеспечивает электрическое соединение между подвижным контактом 234 и соединительным устройством Н2 (214).
Трансформатор 236 тока установлен вокруг соединительного устройства Н2 (214). Трансформатор 236 тока передает на блок 112 управления ток, величина которого пропорциональна току, текущему через соединительное устройство Н2(214). Блок 112 управления измеряет пропорциональный ток и определяет соответствующее значение, которое в свою очередь передается пользователю 118 через пользовательский интерфейс 116.
На фиг.3 показан поперечный разрез трансформатора 236 тока по оси Х-Х с фиг.2. Трансформатор 236 тока содержит провод, намотанный вокруг кольцеобразного железного сердечника 306, с образованием обмотки 308. Обмотка 308 и магнитный сердечник 306 заключены в электростатический экран 310. В одном варианте осуществления изобретения для электростатического экрана 310 используется проводящая лента или полупроводниковая лента. В другом варианте осуществления изобретения электростатический экран представляет собой алюминиевое покрытие, нанесенное на сердечник 306 и обмотку 308. Между соединительным устройством Н2 (214) и трансформатором 236 тока расположен слой наполнительного материала 304, такого как эпоксидная смола или полиуретан. Этот материал совпадает с материалом, который используется для корпуса 210 устройства 200 повторного включения.
Трансформатор 236 тока электрически соединен с двунаправленной коммуникационной шиной 114 с помощью двух выводов 312 обмотки и вывода 314 экрана. Выводы 312 обмотки соединены с обмоткой 308, а вывод 314 экрана соединен с экраном 310. Двунаправленная коммуникационная шина 114 направляет электрические сигналы от выводов 312 обмотки и вывода 314 экрана в блок 112 управления для дальнейшей обработки. Внутри блока 112 управления сигналы из выводов 312 обмотки соединены с цепью измерения тока (не показана), а сигнал из вывода 314 экрана соединен с цепью 400 емкостного делителя напряжения, один вариант осуществления которого показан на фиг.4.
Слой 304 между трансформатором 236 тока и соединительным устройством Н2 (214) обеспечивает постоянное и предсказуемое диэлектрическое свойство пространства между экраном 310 и соединительным устройством Н2 (214). Объединение экрана 310, слоя 304 и соединительного устройства Н2(214) образует конденсатор С1, который схематически показан на фиг.4. Конденсатор С1 образует высоковольтное плечо емкостного делителя 400 напряжения. В описанном ранее устройстве 200 повторного включения OVR-1 емкость конденсатора С1 составляет приблизительно 30-50 пФ.
Как показано на фиг.4, вывод 314 экрана соединен с низковольтным плечом 404 емкостного делителя 400 напряжения. В этом варианте осуществления изобретения, низковольтное плечо 404 делителя напряжения содержит отдельные конденсаторы С2-С21, которые соединены между экраном 310 и землей. Удаление одного или нескольких конденсаторов С2-С21 позволяет настраивать емкостный делитель 400 напряжения. Это будет подробно объяснено в последующих абзацах. В качестве альтернативы, когда нет необходимости регулировать емкостный делитель 400 напряжения, конденсаторы С2-С21 могут быть объединены в один конденсатор.
out
Внутри блока 112 управления выходное напряжение V на низковольтном плече 404 делителя напряжения передается на усилительный каскад (не показан), а затем на каскад преобразования из аналогового сигнала в цифровой (не показан). В предпочтительном варианте осуществления микропроцессор 115 содержит несколько встроенных аналого-цифровых преобразователей, которые соединены с усилительным каскадом. Микропроцессор 115 определяет подходящее значение потенциала по выходному сигналу аналого-цифрового преобразователя и это значение показывается пользователю 118 с помощью пользовательского интерфейса 116.
out
out
В предпочтительном варианте осуществления конденсаторы С2-С21 низковольтного плеча 404 установлены на печатной плате (не показана) внутри блока 112 управления, и они легко доступны для производственного персонала или мастера. В этом варианте осуществления, отламывая или отделяя конденсаторы С4-С21 с печатной платы, их можно удалить, а конденсаторы С2 и С3 удалить нельзя. Удаление одного из конденсаторов С4-С21 или их всех уменьшает общую емкость низковольтного плеча 404 и увеличивает значение выходного напряжения V. Значения емкостей конденсаторов С4-С21 выбраны таким образом, чтобы можно было настраивать емкостный делитель 400 напряжения с максимальной степенью разрешения. Для одного примера емкостного делителя 400 напряжения с емкостью конденсатора С1, равной приблизительно 40 пФ, в расположенной ниже таблице показаны емкость для каждого из конденсаторов С2-С21 и выраженное в процентах изменение V, получаемое при удалении каждого из конденсатора С2-С21.
Конденсаторы
Значение
Изменение, выраженное в процентах
С2, С3
0.1 мФ
неудаляемый
С4-С7
0.033 мкФ
7.5%
С8-С15
0.01 мкФ
2%
С16-21
3300 пФ
0.76%
out
Настройка делителя 400 напряжения производится для того, чтобы учесть любое изменение емкости высоковольтного плеча С1. Для варианта осуществления на фиг.4, настроенное отношение емкостей низковольтного плеча 404 к высоковольтному плечу С1 приблизительно составляет 10000:1. Это отношение было выбрано для того, чтобы переменное напряжение схемы блока управления (усилительный каскад и каскад аналого-цифрового преобразования) находилось в рамках области изменения. Специалистам в рассматриваемой области также ясно, что это отношение на деле является стандартом в рассматриваемой области. В качестве примера, если следует уменьшить на 18.5% низковольтное плечо 404 емкостного делителя 400 напряжения, то удаляются конденсаторы С4, С5, С8, С16 и С17, и выходное напряжение V увеличивается на 18.5%.
Как описано выше, конденсаторы С4-С21 блока 112 управления доступны для производственного персонала или персонала энергоснабжающей компании. При производстве и сборке блок 112 управления может быть объединен в пару с устройством 110 выключения электропитания. В этом случае до отправки цепь емкостного делителя 400 может быть отрегулирована для определенного значения емкости С1 устройства 110 выключения электропитания. Лицо на производственном предприятии измеряет емкость конденсатора С1 и затем удаляет соответствующие конденсаторы из множества С4-С21 с тем, чтобы получить отношение, равное 10000:1. Если блок 112 управления отправляется потребителю отдельно, то на месте установки до начала использования устройства 110 выключения электропитания мастер предприятия-получателя может настроить делитель 400 напряжения, производя те же действия.
Также можно применять настоящее изобретение для устройств 110 выключения электропитания, используя другие типы экранированных катушек для измерения величин тока и напряжения. Например, экранированные пояса Роговского. Специалистам в этой области ясно, что пояса Роговского представляют собой тороидальные катушки с воздушным сердечником, расположенные вокруг проводника. Сердечник пояса Роговского выполнен из материала, не являющегося железом. Переменное магнитное поле в катушке, образующееся благодаря току, протекающему через проводник, индуцирует напряжение, величина которого пропорциональна скорости изменения тока. Выход пояса Роговского передается на интегрирующее устройство, где экстраполируется значение напряжения. Величина напряжения, измеренная с использованием пояса Роговского, является функцией величины тока, протекающего через устройство 110 выключения электропитания.
Хотя пояс Роговского не показан ни на одном чертеже, на фиг.4 показан вывод 406 экрана пояса Роговского и проводник 408, вокруг которого расположена тороидальная катушка с воздушным сердечником от пояса Роговского. Конденсатор С1 сети 400 образован сочетанием экрана пояса Роговского, проводником 408 и воздушным сердечником, расположенным между ними. В этом варианте осуществления изобретения воздушный сердечник представляет собой диэлектрик конденсатора С1. Низковольтное плечо 404 емкостного делителя 400 напряжения выполнено так, чтобы подходящие значения емкостей конденсаторов С2-С21 обеспечивали предпочтительное отношение, равное 10000:1. В настоящем изобретении измерение потенциала на проводнике 408 проводится независимо от величины тока, протекающего через устройство 110 выключения электропитания.
Ясно, что приведенное выше описание нацелено на объяснение и ни в коем случае не ограничивает изобретение. Хотя изобретение описано со ссылками на варианты его осуществления, надо понимать, что используемые здесь слова нужны для описания и для иллюстрации и не ограничивают изобретение. Более того, хотя изобретение описано здесь со ссылкой на конкретную конфигурацию, материалы и/или варианты осуществления изобретения, изобретение не ограничивается деталями, здесь описанными. Правильнее, изобретение распространяется на все функционально эквивалентные конфигурации, способы и приложения, которые не выходят за границы объема прилагаемой формулы изобретения. Специалисты в рассматриваемой области, благодаря идеям приведенного описания, могут предложить множество модификаций и изменений, которые не выходят за границы объема и новизны изобретения.