УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСОВ РАЗРЯДНОГО ТОКА

Заявленное устройство относиться к области контроля состояния высоковольтного оборудования, преимущественно контроля состояния нелинейных резисторов металлооксидных ограничителей перенапряжения (ОПН), используемых для защиты электрооборудования на электростанциях и подстанциях.
Задачей настоящего устройства является регистрация протекающего по конструктивному элементу контролируемого оборудования разрядного тока одновременно с датой и временем его прихода и измерение следующих параметров: амплитуды импульса разрядного тока и его длительности.
Основным средством защиты электрооборудования от возникающих перенапряжений, вызванных, в основном, грозовой деятельностью и процессами коммутаций служат ОПН. Величина разрядного тока, отводимого кабелем ограничителя к земле, в зависимости от характера перенапряжения меняется в больших пределах: от десятков ампер до сотни килоампер. При этом частота разрядного тока от импульса к импульсу перенапряжения также меняется и может достигать значения одного мегагерца.
Традиционным устройством, фиксирующим протекание разрядного тока, является счетчик срабатывания. В зависимости от принципа действия и чувствительности, счетчики оповещают о возникающих в системе перенапряжениях или обеспечивают информацией о количестве прошедших импульсов тока сверх
определенного значения амплитуды или комбинации амплитуды и длительности тока.
Более информативными устройствами являются устройства контроля разрядного тока, которые наряду с подсчетом количества проходящих по кабелю контролируемого оборудования импульсов тока регистрируют амплитуду тока каждого имевшего место импульса. Близкие к заявляемому устройству решения: «Устройство для измерения тока грозового разряда»: [Патент.Japan. Номер публикации JP-63-201569, кл. G01R 15/02, 19.08.1988], разработанное в Японии, и система мониторинга «Excount-II» [Excount-II. http://www.abb.com], выпущенная фирмой ABB, Швеция, представляют собой интеллектуальные устройства, где центральный процессорный блок осуществляет функцию управления, производит запоминание и хранение получаемой информации по импульсам разрядного тока. Информация о параметрах прошедших импульсов сохраняется с датой и временем их прихода.
Появление микропроцессоров делает наиболее простым способом контроля разрядного тока установку на токоведущий элемент датчика тока и подключение на его выход процессорного блока, что позволяет осуществлять непрерывную запись кривой тока. Однако в условиях работы ОПН, где число срабатываний ограничителя определяется числом возникающих перенапряжений в месте его установки, которое, как правило, характеризуются высоким уровнем помех, а иногда труднодоступностью, данная конструкция требует обеспечения стабилизированного постоянного питания и достаточной памяти для хранения информации.
В настоящее время за показатель надежности работы ОПН принят гарантированный срок его службы, определяемый ресурсом пропускной способности нелинейных резисторов ограничителя, где пропускная способность - это суммарная энергия, воздействие которой ОПН выдерживает без разрушений. Ресурс пропускной способности нелинейных резисторов определяется количеством проходящих импульсов разрядного тока, их амплитудой и длительностью воздействия и в документации на ОПН характеризуется с указанием временных параметров импульса.
В качестве прототипа принято устройство, наиболее близкое по исполнению, но предназначенное для измерения энергии импульсов разрядного тока, «Аппарат для измерения энергии импульса» [Патент США №5 497 075, кл. G01R 31/02, публ.
05.03.1996]. Аппарат включает в себя датчик тока, выдающий напряжение, пропорциональное току в заземляющем кабеле, аналоговую измерительную схему, подключенную на выход датчика, процессорный блок обработки и хранения данных, подсоединенный к аналоговой измерительной схеме через аналого-цифровые преобразователи, и выходной дисплей.
Датчик тока включает в частности трансформатор тока «Pearson», устанавливаемый вокруг вышеуказанного кабеля, с коэффициентом преобразования меньше, чем 1 (около 1/10),
В этом устройстве аналоговая схема измерения, подсоединенная к выходу датчика, включает в себя, по крайней мере, две ветви измерения, отличающиеся уровнем ослабления сигнала входных аттенюаторов (в частности, 40дБ и 60дБ), каждая из которых включает интегратор, соединяющий аттенюатор и процессорный блок.
Дополнительно аппарат характеризуется тем, что включает схему ограничения пика, подсоединенную к выходу каждого аттенюатора за исключением аттенюатора с наивысшим уровнем ослабления, позволяющую питать элементы аналоговой схемы и блок обработки и хранения данных и используемую для защиты, а также каждая ветвь измерения включает детектор пикового значения, подсоединенный параллельно соответствующему интегратору.
Измерение энергии от каждого прошедшего импульса, как функции разрядного тока, производится одновременно интеграторами двух ветвей, коэффициент перекрытия которых друг к другу составляет 10. Процессорный блок сравнивает пары сигналов, полученные от каждой ветви измерения, и выбирает измерения только одного из этих двух интеграторов, который лучше характеризует прошедший импульс тока. В памяти сохраняются данные выбранной пары сигналов одновременно с датой прихода импульса.
Однако, как уже указывалось, назначение данного устройства - измерение такого параметра импульса тока, как энергия.
Целью настоящего предложения является, в частности, измерение таких параметров, как амплитуда и длительность воздействия, необходимых наряду с количеством импульсов для непосредственного расчета ресурса пропускной способности ОПН, при этом, увеличение числа параметров характеризующих
регистрируемый импульс тока осуществляется путем использования простых однотипных измерительных цепей.
Для достижения поставленной цели в устройстве для измерения параметров импульсов разрядного тока, содержащем датчик тока, включенную на выходе датчика аналоговую измерительную схему и блок обработки и хранения информации, содержащий процессор и через аналого-цифровой преобразователь подключенный к выходам аналоговой измерительной схемы, последняя не требует питания и является одновременно схемой запоминания, сохраняющей на своих выводах измеряемые величины до запуска блока обработки и хранения информации на проведение измерений.
Для этого аналоговая измерительная схема выполнена состоящей из набора интегрирующих RC-цепей, включенных параллельно друг к другу, количество которых определяется, как минимум, числом регистрируемых параметров импульса разрядного тока и содержит по меньшей мере две RC-цепи, отличающиеся постоянными времени. При этом в устройство введена схема запуска, включенная между выходом датчика тока и соответствующим входом процессора, и таймер, фиксирующий время прихода импульса тока, подключенный к соответствующим выводам блока обработки и хранения информации. Кроме того, устройство может быть снабжено более, чем одной ветвью измерения, включающей датчик тока, в основе которого лежит одновитковый преобразователь тока, и подключенную на выход данного датчика аналоговую измерительную схему, выполненную в виде набора интегрирующих RC-цепей.
Для пояснения существа предложения на фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства с двумя ветвями измерения.
Датчик тока 1 устанавливается на отводящий разрядный ток кабель 2 диагностируемого оборудования и состоит из преобразователя тока 3, обхватывающего кабель 2 и схемы формирования 4.
Преобразователь тока 3 выполнен в виде пары катушек Роговского со встречным включением обмоток, благодаря чему, независимо от полярности импульса разрядного тока в кабеле 2 на выходе преобразователя 3 всегда будет импульс положительной полярности.
Схема формирования 4 датчика построена, в частности, на активно - емкостных элементах и формирует совместно с преобразователем тока выходной
сигнал напряжения, повторяющий импульс разрядного тока, и приведенный к величине, соответствующей измеряемому уровню аналого-цифрового преобразователя процессорного блока.
1
2
2
1
3
2
Назначение аналоговой измерительной схемы 5 - запоминание и сохранение на своих выводах сигналов напряжений отвечающих за параметры протекающего по кабелю 2 разрядного тока. Аналоговая схема 5 подсоединяется к выходу датчика тока 1 с одной стороны и входу процессорного блока 6 с другой и включает основную 7 и дополнительные 8...n интегрирующие RC-цепи, соединенные в параллель. Каждая из вышеупомянутых интегрирующих RC-цепей состоит, в частности, из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и подсоединенного на вход диода, препятствующего разряду выходного конденсатора каждой RC-цепи. Основная интегрирующая RC-цепь 7 имеет постоянную времени τ выбранную так, чтобы выходным параметром данной цепи являлась величина максимума напряжения снимаемого с вышеупомянутого датчика тока и пропорциональная амплитуде импульса разрядного тока в кабеле 2, то есть отвечает за измерение амплитуды импульса разрядного тока. Для определения длительности импульса тока аналоговая измерительная схема снабжена минимум еще одной, дополнительной, интегрирующей RC-цепью 8, аналогичной основной, с постоянной времени τ большей, чем у основной τ>τ. Каждая последующая дополнительная интегрирующая RC-цепь характеризуется постоянной времени, большей, чем у предыдущей цепи τ>τ и может быть использована для дальнейшего увеличения числа определяемых параметров импульса тока или увеличения точности определения каждого дополнительного параметра импульса, что будет объяснено ниже.
Работа устройства для измерения параметров импульсов разрядного тока производиться в энергосберегающем режиме. В частности, при прохождении через ОПН импульса разрядного тока работает схема запуска 9, которая подает сигнал запуска процессору 10 блока 6 обработки и хранения информации на проведение измерений. Процессорный блок 6 последовательно опрашивает все конденсаторы интегрирующих RC-цепей аналоговых схем 5 всех ветвей измерения, выбирает наиболее информативный набор RC-цепей, принадлежащий одной из вышеупомянутых ветвей и сохраняет его значения в памяти одновременно с датой и временем прихода импульса. После сохранения всех необходимых параметров
процессорный блок 6 переводит себя и сопряженные устройства в режим пониженного потребления энергии до следующего импульса.
-2
-3
-4
Устройство для измерения параметров импульсов разрядного тока включает в себя, более чем одну ветвь измерения, каждая из которых включает датчик тока 1 и включенную на выход данного датчика аналоговую измерительную схему 5, выполненную в виде набора интегрирующих RC-цепей 7, 8, подключенную к процессорному блоку обработки и хранения информации 6. В зависимости от измеряемых величин разрядного тока и точности измерения датчики тока вышеуказанных ветвей различаются коэффициентами преобразования, которые, как правило, много меньше 1 и характеризуются степенями, кратными 10 (например, 10,10,10).
Аналоговые измерительные схемы всех ветвей подключаются своими выходами на вход блока 6 обработки и хранения информации через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11. Схема запуска 9 включается в ветвь измерения, рассчитанную на минимальный измеряемый ток, проходящий по кабелю 2. Вышеуказанная схема 9 своим входным концом подсоединяется к выходу датчика тока соответствующей ветви и выходным концом на вход процессора 6 процессорного блока, и предназначена для запуска процессорного блока для проведения необходимых измерений и сохранения данных в памяти.
Процессорный блок 6 обработки и хранения информации представляет собой логическую сборку, включающую в себя процессор 10 с присоединенной памятью, АЦП 11 и интерфейсами ввода вывода 12 и 13, подсоединенную входом к выходам вышеупомянутых аналоговых схем запоминания и выходом к портативному компьютеру 14.
Измеритель импульсов разрядного тока также характеризуется тем, что включает таймер 15, в частности, представляющий собой часовую микросхему, подсоединенную к процессору 10 процессорного блока через интерфейс 12 и выдающую информацию о дате и времени прихода импульса разрядного тока, а именно год, месяц, число, час, минута, секунда.
Принцип работы измерителя заключается в следующем.
Импульс разрядного тока протекающего по кабелю 2 принимается одновременно всеми ветвями измерения, датчики тока 1 которых, преобразуют вышеуказанный импульс тока к пропорциональному импульсу напряжения,
уменьшенному по амплитуде до величины, соответствующей измеряемому уровню цепей низкой стороны. Информация с датчиков тока поступает на подключенные далее аналоговые измерительные схемы запоминания, состоящие из набора интегрирующих RC-цепей, в частности, цепей 7 и 8, откуда впоследствии считывается и сохраняется процессором 10. Сигнал активации процессору 10, приводящему измеритель импульсов тока в режим измерений, поступает от схемы запуска 9, в свою очередь, запускающейся при приходе импульса разрядного тока.
Процессор 10 посредством АЦП 11 производит последовательное измерение напряжений на конденсаторах основных 7 и всех дополнительных интегрирующих RC-цепей. Для сохранения в памяти выбирается только один наиболее информативный набор значений напряжений на RC- цепях, принадлежащих одной из ветвей измерения. Также в памяти сохраняется информация с часовой микросхемы (таймера) 15 о дате и времени прихода импульса разрядного тока.
После сохранения всех необходимых данных по имевшему место импульсу разрядного тока процессор 10 переводит себя и сопряженные устройства, требующие питания, в частности, часовую схему 15, в режим пониженного потребления энергии до появления следующего импульса разрядного тока. Питание измерителя организовано автономно и осуществляется от батарей.
Вся накопленная информация по импульсам тока впоследствии передается через последовательный коммуникационный интерфейс 13 на портативный компьютер 14.
Параметры регистрируемых импульсов разрядного тока вычисляются следующим способом.
2
2
1
Амплитуда каждого импульса разрядного тока фиксируется основной интегрирующей RC-цепью 7, а для определения дополнительных параметров, в частности, длительности используется минимум еще одна дополнительная RC-цепь 8 с постоянной времени τ, большей, чем у основной, τ>τ. То есть вычисление дополнительного параметра осуществляется косвенным методом, что позволяет для определения параметров импульса тока не реализовывать разные электрические цепи на каждый искомый параметр импульса разрядного тока, а воспользоваться простыми однотипными цепями, определяющими величину функционально связанную с искомым параметром импульса. При этом, количество искомых параметров импульса определяет минимальное количество однотипных цепей,
которые, в частности, реализованы на основе RC-цепей с различными постоянными времени, при этом увеличение однотипных цепей приводит к увеличению точности измерения.
i
Искомый параметр, длительность, вычисляется решением обратной задачи, для которой входными параметрами служат измеренные значения напряжений на конденсаторах интегрирующих RC-цепей. Формулировка обратной задачи при использовании n≥2 RC-цепей с различными постоянными времени τ сводится к задаче поиска минимума функции (1).
i
i
i
м
и
где где n - число RC-цепей, Uc - измеренное напряжение на емкости RC-цепи с соответствующими параметрами R С U - амплитуда пропорциональная амплитуде тока, t -длительность импульса тока.
При этом погрешность восстановления длительности импульса не превышает 10%.