УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТОКА
DIFFERENTIAL CURRENT MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании устройств контроля сопротивления изоляции присоединений в сети оперативного постоянного тока.
Известно устройство измерения дифференциального тока (RU 2114439 C1, опубликовано 27.06.1998 г.), содержащее первый и второй трансформаторы тока, каждый из которых имеет магнитный сердечник, первичную обмотку или проводник и вторичную обмотку, связанную с магнитным сердечником, первичные обмотки соединены так, чтобы проводить измеряемый ток, генератор тока, выход которого подключен к вторичной обмотке первого трансформатора тока для питания его током, содержащим составляющую тока намагничивания, способную переводить соответствующий магнитный сердечник попеременно в противоположные состояния насыщения.
Недостатком аналога является сложность электрической схемы, наличие второго сердечника для компенсации ондуляции тока первичной обмотки, а также низкая точность при наличии в дифференциальном токе, протекающем в контролируемых проводах присоединений переменных составляющих.
Известно устройство измерения дифференциального тока - датчик тока (RU 2431851 C1, опубликовано 20.10.2011 г.), содержащий тороидальный магнитный сердечник, первичную обмотку, через который протекает измеряемый ток и которая намотана вокруг магнитного тороидального сердечника, а также вторичную обмотку, намотанную вокруг магнитного сердечника, подключенного к ней электронного генератора и схему для компенсации дисбаланса, создаваемой магнитодвижущей силой тока, протекающего через первичную обмотку.
Недостатком аналога является необходимость подбирать сопротивление резистора для различных магнитопроводов, отсутствие интерфейсного устройства для передачи информации о величине измеряемого тока, а также низкая точность при наличии в дифференциальном токе, протекающем в контролируемых проводах присоединений переменных составляющих.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство измерения дифференциального тока - дифференциальный датчик для устройства контроля изоляции сети постоянного тока с изолированной нейтралью (RU 2381513 C1, опубликовано 10.02 2010 г.), содержащий магнитопровод, включающий по одному витку «плюсового» и «минусового» проводов присоединения, измерительную обмотку, первый вывод которой подключен к выходу компаратора, а второй вывод подключен к первому входу компаратора, первый резистор, подсоединенный одним концом к измерительной обмотке, а другим - к нулевому выводу источника питания компаратора, делитель напряжения, состоящий из второго и третьего резистора, подключенный одним концом к выходу компаратора, а другим концом - к нулевому выводу источника питания компаратора, общая точка второго и третьего резистора подсоединена ко второму входу компаратора, фильтр низких частот, вход которого подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки, первый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, интерфейсное устройство. Магнитопровод содержит дополнительную обмотку, подключенную к источнику калибровочного тока. Датчик предназначен для измерений малых (порядка нескольких миллиампер) дифференциальных постоянных токов.
Недостатком прототипа является низкая точность при наличии в дифференциальном токе, протекающем в контролируемых проводах присоединений переменных составляющих. Проведенные исследования показали, что в сети оперативного постоянного тока многих электростанций и подстанций имеются переменные составляющие дифференциальных токов, величина которых достигает несколько сотен миллиампер, что связано с применением зарядно-подзарядных устройств с большой пульсацией. Доля переменных составляющих полного дифференциального тока может достигать 99%, что приводит к невозможности измерения дифференциального постоянного тока данным устройством.
Технический результат заявляемого изобретения повышение точности измерения постоянного дифференциального тока за счет исключения составляющей магнитного поля в сердечнике, связанной с переменной составляющей измеряемого тока, повышение помехозащищенности датчиков дифференциального тока, применяемых в системе контроля изоляции сети оперативного постоянного тока.
Технический результат достигается тем, что в устройство измерения дифференциального тока, содержащее магнитопровод, включающий по одному витку «плюсового» и «минусового» проводов присоединения, измерительную обмотку, первый вывод которой подключен к выходу компаратора, а второй вывод подключен к первому входу компаратора, первый резистор, подсоединенный одним концом к измерительной обмотке, а другим - к нулевому выводу источника питания компаратора, делитель напряжения, состоящий из второго и третьего резистора, подключенный одним концом к выходу компаратора, а другим концом - к нулевому выводу источника питания компаратора, общая точка второго и третьего резистора подсоединена ко второму входу компаратора, фильтр низких частот, вход которого подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки, первый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, интерфейсное устройство, причем магнитопровод содержит дополнительную обмотку, подключенную к источнику калибровочного тока, дополнительно введен второй магнитопровод с намотанной на ней измерительной обмоткой, причем витки «плюсового» и «минусового» проводов присоединения первого магнитопровода проходят сквозь окно второго магнитопровода, при этом на первом магнитопроводе дополнительно намотана компенсирующая обмотка, а измерительная обмотка на втором магнитопроводе одним выводом подсоединена к неинвертирующему входу введенного второго усилителя, другим выводом - к нулевому выводу источника питания, параллельно измерительной обмотке на втором магнитопроводе подсоединен введенный четвертый резистор, выход введенного второго усилителя подсоединен к входу введенного усилителя мощности, выход которого подсоединен к одному из выводов компенсирующей обмотки, расположенной на первом магнитопроводе, второй вывод которой подсоединен через введенный пятый резистор к нулевому выводу источника питания, общая точка соединения пятого резистора и компенсирующей обмотки подсоединена к инвертирующему входу введенного второго усилителя. Величина сопротивления четвертого резистора, например, в десять раз меньше индуктивного сопротивления измерительной обмотки второго магнитопровода. Величина сопротивления пятого резистора выбирается таким образом, что напряжения на инвертирующем входе и неинвертирующем входе второго усилителя совпадают. Направление намотки компенсирующей обмотки первого магнитопровода и измерительной обмотки второго магнитопровода выполнено таким образом, что вектор напряженности магнитного поля в них имеют противоположные направления.
В соответствии с прототипом настоящее устройство для измерения дифференциального тока содержит магнитопровод, включающий по одному витку «плюсового» и «минусового» проводов присоединения, измерительную обмотку первый вывод которой подключен к выходу компаратора, а второй вывод подключен к первому входу компаратора, первый резистор, подсоединенный одним концом к измерительной обмотке, а другим - к нулевому выводу источника питания компаратора, делитель напряжения, состоящий из второго и третьего резистора, подключенный одним концом к выходу компаратора, а другим концом - к нулевому выводу источника питания компаратора, общая точка второго и третьего резистора подсоединена ко второму входу компаратора, фильтр низких частот, вход которого подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки, первый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, интерфейсное устройство, дополнительную обмотку, подключенную к источнику калибровочного тока. Задача уменьшения влияния переменных составляющих измеряемого постоянного дифференциального тока в предлагаемом устройстве решается за счет введения в устройство второго усилителя, усилителя мощности, четвертого и пятого резисторов, второго магнитопровода с намотанной на ней измерительной обмоткой, причем витки «плюсового» и «минусового» проводов присоединения первого магнитопровода проходят сквозь окно второго магнитопровода, при этом дополнительно на первом магнитопроводе намотана компенсирующая обмотка, измерительная обмотка на втором магнитопроводе одним выводом подсоединена к неинвертирующему входу введенного второго усилителя, а другим - к нулевому выводу источника питания, параллельно обмотке подсоединен четвертый резистор, выход введенного второго усилителя подсоединен к входу усилителя мощности, выход усилителя мощности подсоединен к одному из выводов компенсирующей обмотки, расположенной на первом магнитопроводе, второй вывод которой подсоединен через пятый резистор к нулевому выводу источника питания, общая точка соединения пятого резистора и компенсирующей обмотки подсоединена к инвертирующему входу введенного второго усилителя.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в предлагаемом устройстве с выводов измерительной обмотки на втором магнитопроводе снимается сигнал, пропорциональный производной изменения тока по времени в контролируемом присоединении. Так как параллельно измерительной обмотки подсоединен резистор малой величины, то напряжение на нем будет пропорционально переменной составляющей дифференциального тока в проводах присоединения. Этот сигнал подается на неинвертирующий вход введенного второго усилителя, с выхода введенного второго усилителя сигнал усиливается по мощности усилителем мощности и подается на последовательно соединенную компенсирующую обмотку, намотанную на первом магнитопроводе и пятый резистор. Ток в компенсирующей обмотке пропорционален переменной составляющей дифференциального тока в контролируемом присоединении. Величина этого тока определяется величиной пятого резистора. Общая точка соединения пятого резистора и компенсирующей обмотки первого магнитопровода подсоединена к инвертирующему входу введенного второго усилителя, что обеспечивает обратную связь усилителя по напряжению.
Направление намотки компенсирующей обмотки на первом магнитопроводе и измерительной обмотки на втором магнитопроводе выполнено таким образом, что вектора напряженности магнитного поля в них имеют противоположные направления.
Для уменьшения влияния напряжения на четвертом резисторе, связанного с производной изменения тока в проводах присоединения, величина сопротивления четвертого резистора выбирается много меньше индуктивного сопротивления измерительной обмотки второго магнитопровода, например в десять раз.
Напряжение на пятом резисторе пропорционально переменной составляющей дифференциального тока в проводах присоединения. Величина сопротивления пятого резистора выбирается таким образом, чтобы напряжения на инвертирующем входе и неинвертирующем входе усилителя совпадали. При этом напряженность магнитного поля, создаваемого переменной составляющей тока в проводах присоединения равна напряженности магнитного поля, создаваемого током в компенсирующей обмотке первого магнитопровода, а суммарная составляющая переменного магнитного поля в первом магнитопроводе от тока в проводах присоединения и компенсирующей обмотки, намотанной на первом магнитопроводе равна нулю.
На фигуре 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства измерения дифференциального тока, где приняты следующие обозначения:
1 - обмотка, включающая по одному витку «плюсового» и «минусового» проводов присоединения, в которых производится измерение дифференциального тока,
2, 3 - соответственно первый и второй магнитопроводы,
4, 6 - измерительная и компенсирующая обмотки, намотанные на первом магнитопроводе,
5 - измерительная обмотка, намотанная на втором магнитопроводе,
8, 14, 15 - первый, второй и третий резисторы,
7 - введенный второй усилитель,
9 - пятый резистор,
10 - усилитель мощности,
11 - компаратор,
12 - фильтр низкой частоты,
13 - четвертый резистор,
16 - дополнительная обмотка,
17 - источник калибровочного тока,
18 - управляемый ключ,
19 - первый усилитель,
20 - аналого-цифровой преобразователь,
21 - блок обработки информации датчика,
22 - интерфейсное устройство.
На фигуре 2 представлены:
2а - осциллограмма переменной составляющей тока в обмотке 1, включающей по одному витку «плюсового» и «минусового» проводов присоединения;
2b - осциллограмма напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах введенного второго усилителя 7;
2с - осциллограмма напряжения на выходе компаратора 11;
2d - осциллограмма напряжения на первом резисторе в случае отсутствия компенсации переменной составляющей дифференциального тока в обмотке 1;
2е - осциллограммы напряжения на первом резисторе в случае компенсации переменной составляющей дифференциального тока в магнитопроводе 2 с помощью обмоток 5 и 6.
Как видно из осциллограмм, форма напряжения на инвертирующем входе введенного второго усилителя совпадает с формой переменной составляющей тока в обмотке 1. Напряжение на пятом резисторе пропорционально току в компенсирующей обмотке первого магнитопровода.
Напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входах введенного второго усилителя совпадают, это обеспечивает полную компенсацию переменной составляющей магнитного поля в первом магнитопроводе.
Напряжение на входе фильтра 12 в случае компенсации переменной составляющей в предлагаемом устройстве, а также в случае отсутствия переменной составляющей тока в обмотке 1 совпадают.
Как видно из осциллограмм, в предлагаемом устройстве с помощью обмоток 5, 6, а также схемы компенсации, включающей резисторы 9 и 13, введенный второй усилитель 7 и усилитель мощности 10 производится компенсация переменной составляющей дифференциального тока в магнитопроводе 2.
Описанное устройство (фигура 1) реализовано в датчиках дифференциального тока ДДТ-25, ДДТ-40 и ДДТ-70 системы контроля изоляции в сети оперативного постоянного тока «ЭКРА-СКИ», которые поставлены в опытную эксплуатацию на Камской ГЭС.