МАСШТАБИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области электрических измерений напряжения и может быть использована в качестве измерительного преобразователя на высоковольтных линиях.
Известен ряд технических решений, в которых описаны измерительные высоковольтные масштабирующие преобразователи напряжения (МПН), в частности, патенты RU 2250471 от 05.11.2003, RU 2557355 от 12.04.2011, RU 2516034 от 08.10.2012.
Недостатками указанных технических решений являются большое количество компонентов и наличие дополнительных погрешностей, вызванных существованием емкостных связей резисторов высоковольтного делителя напряжения с окружающими объектами, полная схемная компенсация которых невозможна, поскольку деформация любых окружающих электропроводящих предметов, например, свисание линии под весом снега, или перемещение ее при сильном ветре приведет к дополнительной погрешности измерений.
Наиболее близким решением является патент на полезную модель RU 32282 от 05.05.2003. Прототип представляет собой устройство, где в качестве делителя напряжения используется масштабирующий преобразователь, реализованный на инвертирующем усилителе. В качестве высоковольтного плеча делителя используется цепочка последовательно соединенных резисторов.
Основным недостатком прототипа является погрешность, вызванная существованием емкостных связей резисторов высоковольтного плеча масштабирующего преобразователя с окружающими объектами.
Целью настоящей полезной модели является уменьшение погрешности, вызванной существованием емкостных связей резисторов высоковольтного делителя напряжения с окружающими объектами и изменением температуры окружающего воздуха. Технический результат достигается за счет того, что ко входу инвертирующего усилителя подключен высоковольтный емкостный делитель напряжения, составленный из конденсаторов значительной емкости, так что изменение параметров емкостных связей с окружающими предметами не оказывает существенного влияния на коэффициент передачи преобразователя. Снижение влияния температуры окружающего воздуха на коэффициент передачи преобразователя достигается тем, что емкостный делитель напряжения составлен из одинаковых конденсаторов.
1
m
m+1
m+n
Ниже подробно описана и иллюстрируется на фиг. 1 конструкция заявляемого устройства. Схема предлагаемого масштабирующего преобразователя напряжения представлена на фиг. 1 и состоит из высоковольтного емкостного делителя напряжения (4), источника опорного напряжения (ИОН) (3), инвертирующего усилителя на операционном усилителе (2) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (1). Низковольтное плечо высоковольтного емкостного делителя напряжения 4, состоящее из параллельно соединенных конденсаторов одинаковой емкости C…C, подключено к высоковольтной линии (ЛЭП), а высоковольтное плечо состоит из таких же конденсаторов C…C, но соединенных последовательно, и подключено к потенциалу земли. Выход высоковольтного делителя 4 подключен к инвертирующему усилителю 2 с коэффициентом передачи меньше единицы, что позволяет уменьшить количество конденсаторов в емкостном делителе напряжения 4. К неинвертирующему входу операционного усилителя инвертирующего усилителя 2 подключен вывод источника опорного напряжения 3, который также подключен к входу опорного напряжения АЦП 1. Выход усилителя 2 подключен к входу АЦП 1. В качестве общего потенциала для АЦП 1 и ИОН 3 используется потенциал ЛЭП.
В настоящее время для построения высоковольтных емкостных делителей напряжения, входящих в состав емкостных измерительных трансформаторов напряжения, в основном используются конденсаторы с комбинированным бумажно-пленочным диэлектриком, например, конденсаторы типа К75-74. Эти конденсаторы имеют хорошую удельную емкость, высокие значения рабочего напряжения (до 40 кВ), большой диапазон номинальных емкостей (0,01... 4,7 мкФ). Их недостатком является большой температурный коэффициент емкости (ТКЕ) (до 500 ppm/°C), причем у конденсаторов с одним типом диэлектрика, но разной емкости, ТКЕ может заметно различаться. Это ухудшает температурную стабильность емкостных делителей.
Одно из решений данной проблемы состоит в том, что высоковольтное и низковольтное плечи делителя напряжения выполняются с использованием конденсаторов одинакового типа. При этом конденсаторы, использованные в делителе напряжения, могут быть взяты из одной партии, имеющей относительно малый разброс ТКЕ, что позволяет уменьшить влияние температуры на коэффициент передачи делителя.
Технический результат достигается за счет того, что коэффициент передачи полученного делителя представляет собой выражение, где числитель и знаменатель приблизительно одинаково зависят от температуры, что уменьшает влияние температуры на коэффициент передачи делителя.
Изменение емкости под действием температуры:
где ТКЕ - температурный коэффициент емкости,
1
T - нормальная температура,
2
Т - текущая температура,
0
1
С - емкость при температуре Т.
Коэффициент передачи емкостного делителя напряжения по схеме на рис. 1:
вых
где U - напряжение на выходе емкостного делителя напряжения,
вх
U - напряжение на входе емкостного делителя напряжения,
Если  состоит из достаточно большого количества параллельно соединенных конденсаторов с близкими значениями температурного коэффициента емкости, а  - из таких же конденсаторов, соединенных последовательно, то температурное изменение К будет определяться как отношение средних температурных коэффициентов конденсаторов, входящих в  и конденсаторов, входящих в  и .
Изменение емкости при изменении температуры будет определяться как
Тогда коэффициент передачи будет равен:
1
1
где ТКЕ - температурный коэффициент эквивалентной емкости C,
2
2
ТКЕ - температурный коэффициент эквивалентной емкости С,
- отклонение от нормальной температуры,
n - количество последовательно соединенных конденсаторов,
m - количество параллельно соединенных конденсаторов.
При малом рассеянии ТКЕ используемых конденсаторов данное выражение преобразуется в следующее выражение:
Таким образом влияние температуры на коэффициент деления будет минимальным. Экспериментальное исследование емкостного делителя напряжения для ЛЭП класса 110 кВ, составленного из 123 пленочных конденсаторов емкостью 15 нФ, соединенных последовательно и 10 таких же конденсаторов, включенных параллельно, показало, что изменение коэффициента передачи в диапазоне изменения температуры окружающего воздуха от -40°C до +40°C относительно нормальных условий (20°C) не превышает 0,08% (см. таблицу 1) при том, что изменение емкости отдельных конденсаторов, входящих в состав делителя, при отклонении температуры окружающего воздуха от +20°C до -40°C составляет от 0,7% до 1,3%.