УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ БЕЗ ОТСОЕДИНЕНИЯ ГРОЗОЗАЩИТНОГО ТРОСА

Область применения
Устройство относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля состояния заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство для измерения сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ) опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи, содержащее прибор Ф-4103, соединенный с измерительным токовым и потенциальным электродами по однолучевой или двухлучевой схеме [1, стр. 12]. Измерение сопротивления ЗУ опоры линии электропередачи (ЛЭП) выполняются методом амперметра - вольтметра. Сопротивление заземляющего устройства определяется как отношение измеренного значения напряжения на ЗУ к силе тока, протекающего через ЗУ. Недостатком данного устройства является невозможность его применения для измерения сопротивлений ЗУ опор ВЛ, на которых грозозащитный трос соединен с опорой, так как ЗУ опор, имеющих заземленный грозозащитный трос, связаны через грозотрос в единую систему трос - опоры линии, а при подключении троса к ЗУ оконечных распределительных устройств (РУ), в эту систему входят также и заземляющее устройство РУ. При измерении сопротивления ЗУ опоры, имеющей грозозащитный трос, с использованием измерительного генератора переменного тока частотой 280 Гц возникает ошибка измерения, связанная с тем, что от заземлителя исследуемой опоры часть тока генератора отсасывается к соседним опорам, проходит через их ЗУ и возвращается в генератор через вспомогательный токовый электрод. Таким образом, через заземлитель исследуемой опоры проходит часть измерительного тока и, соответственно, уменьшается потенциал (напряжение) на ЗУ измеряемый вольтметром. При этом через вспомогательный токовый электрод проходит весь ток генератора, который фиксируется амперметром.
И
И
Для измерения сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса может использоваться импульсный метод, при котором вместо источника постоянного тока используется генератор коротких импульсов тока. Известно устройство - измеритель импульсных сопротивлений WG-407 [2, 3], польской компании Atmor. Устройство предназначено для измерения сопротивления грозозащитных заземлений любых объектов, в том числе опор воздушных линий электропередачи с присоединенным грозозащитным тросом. Устройство измеряет импульсное сопротивление Z с применением измерительных импульсов, временные параметры которых соответствуют грозовым импульсам. Устройство позволяет измерять импульсное сопротивление в диапазоне от 0 до 199 Ом. Измерения проводятся по двухлучевой схеме - угол между токовым и потенциальным контуром составляет от 90 до 180 градусов. В состав устройства входит генераторно-измерительный блок, два заземляющих электрода, две катушки с проводом длиной 40 и 30 м для создания токового и потенциального контура, соответственно, провод длиной 2 м для подсоединения устройства к исследуемому ЗУ. В составе генераторно-измерительного блока устройства можно выделить: генератор периодических импульсов на основе схемы с накопительным конденсатором, первичные датчики тока и напряжения, цепи обработки сигналов, схему вычисления импульсного сопротивления Z, которое определяется как отношение максимального значения импульса напряжения на ЗУ к максимальному значению импульса тока, протекающего через ЗУ, причем эти величины могут достигаться в различные моменты времени, блок отображения информации (жидкокристаллический дисплей), блок памяти, позволяющий сохранять до 128-ми результатов измерений. Питание прибора осуществляется от встроенного аккумулятора. Генератор устройства формирует импульсы напряжения с амплитудой 1000 В, при этом амплитуда тока в токовом контуре может достигать 1 А. Импульсы имеют длительность фронта 4 мкс и время до полу спад а 10 мкс Частота следования - до 5 импульсов в секунду.
Данное устройство обладает определенными недостатками: генератор устройства формирует импульсы с небольшой энергией - 0.017 Дж, что не позволяет проводить измерения при значительном сопротивлении токового контура, которое определяется сопротивлением ЗУ и сопротивлением токового электрода. Устройство позволяет проводить измерения сопротивления ЗУ в диапазоне от 0 до 199 Ом и при сопротивлении токового электрода менее 1000 Ом. Вместе с тем, для опор, ЗУ которых расположены в грунтах с высоким удельным сопротивлением или подверглись коррозии, сопротивление ЗУ может достигать нескольких сотен Ом, а обеспечить требуемое сопротивление токового электрода - 1000 Ом - в условиях плохопроводящих и скалистых грунтов будет сложно.
При проведении измерений сопротивлений ЗУ опор ВЛ импульсным методом в первые микросекунды импульса токовый контур обладает волновыми свойствами и может рассматриваться как линия с распределенными параметрами (токовая линия). Форма импульса тока через ЗУ может быть искажена за счет отражения волны тока от конца линии при несовпадении ее волнового сопротивления с сопротивлением токового электрода, а также за счет неравномерного распределения волнового сопротивления вдоль токовой линии. Искажения импульса тока могут вызывать ошибку определения сопротивления ЗУ опоры ВЛ. Кроме того, при измерении известным устройством невозможно проконтролировать форму импульсов тока через ЗУ и напряжения на ЗУ без использования дополнительного устройства - осциллографа.
max
max
Наиболее близким является устройство для измерения импульсного сопротивления заземляющих устройств грозовыми импульсами тока малой амплитуды, содержащее блок питания, генератор импульсов тока, блок первичных датчиков тока и напряжения, соединенный с ЗУ и удаленным токовым и потенциальным электродом, блок обработки сигналов, в состав которого входит микропроцессорный блок, который вычисляет сопротивление ЗУ, как отношение максимального значения импульса напряжения на ЗУ к максимальному значению импульса тока через ЗУ - R=U/I (CN 103675462A, G01R 27/20, опубл. 26.03.2014 [4]). Устройство предназначено для измерения сопротивления заземляющих устройств, в том числе ЗУ опор ВЛ, импульсным методом.
Генератор импульсов тока устройства выполнен на основе емкостного накопителя энергии - блока конденсаторов, заряд которого осуществляется от высоковольтного регулируемого преобразователя напряжения. Напряжение с блока конденсаторов подается на формирующий усилитель, который управляется цифро-аналоговым преобразователем, соединенным с блоком памяти, в котором в цифровом виде хранятся формы грозовых импульсов с различным соотношением длительности фронта/среза.
Сигналы, пропорциональные току через ЗУ и падению напряжения на ЗУ, с блока первичных датчиков тока и напряжения поступают в блок обработки сигналов, в состав которого входят последовательно включенные фильтрующий блок, аналоговые пиковые детекторы импульсов тока и напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), формирующие на выходе в цифровом виде максимальные значения импульсов тока и напряжения на ЗУ. Выходы АЦП соединены с микропроцессорным блоком, выполненным на основе микроконтроллера с ARM архитектурой.
В качестве источника питания устройства используется свинцово-кислотный аккумулятор, соединенный с блоком формирования питающих напряжений, который формирует низковольтные напряжения для всех цепей устройства.
Недостатком известного устройства с генератором импульсов тока на основе емкостного накопителя энергии является возможная ошибка определения сопротивления ЗУ опоры ВЛ за счет искажений формы импульса тока через ЗУ, вызванных отражением от конца токовой линии и неравномерностью ее волнового сопротивления. Кроме того, в генераторе импульсов тока присутствует источник высокого напряжения и высоковольтные конденсаторы емкостного накопителя, что требует применения высоковольтной изоляции для безопасной работы с устройством.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик устройства.
Полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении точности и достоверности определения сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) опоры воздушной линии (ВЛ) электропередачи без отсоединения грозозащитного троса импульсным методом, расширении диапазона измеряемых сопротивлений и снижении требований к величине сопротивления токового электрода.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для измерения сопротивлений заземляющих устройств, содержащем удаленный токовый и потенциальный электроды, аккумулятор, блок формирования питающих напряжений, блок обработки сигналов, в состав которого входит микропроцессорный блок, генератор импульсов тока, включенный между токовым электродом и заземляющим устройством и соединенный с блоком формирования питающих напряжений, блок первичных датчиков тока и напряжения, вход которого подключен к заземляющему устройству, токовому и потенциальному электроду, а выход - к блоку обработки сигналов, согласно заявленному устройству генератор импульсов тока выполнен по схеме с индуктивным накопителем энергии и содержит: блок питания, соединенный с блоком формирования питающих напряжений, двухобмоточный индуктивный накопитель энергии, первичная обмотка которого включена межу блоком питания и ключом, параллельно которому включены диод и ограничитель напряжения. Управляющий вывод ключа соединен с выходом буферного усилителя, вход которого подключен к микропроцессорному блоку. Один вывод вторичной обмотки индуктивного накопителя энергии подключен через датчик тока блока первичных датчиков тока и напряжения к заземляющему устройству. Другой вывод вторичной обмотки индуктивного накопителя соединен с анодом второго диода, катод которого подключен к удаленному токовому электроду. Параллельно второму диоду включен ограничитель напряжения.
Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- первичный датчик тока был выполнен из регулируемого токового шунта, включенного между заземляющим устройством и генератором импульсов тока, и был соединен с блоком обработки сигналов.
- первичный датчик напряжения был выполнен из регулируемого делителя напряжения, включенного между заземляющим устройством и потенциальным электродом, и был соединен с блоком обработки сигналов.
- в схему блока обработки сигналов был введен блок обработки тока, включенный между выходом регулируемого токового шунта и микропроцессорным блоком, и состоящий из нормирующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя, соединенных последовательно.
- в схему блока обработки сигналов был введен блок обработки напряжения, включенный между выходом регулируемого делителя напряжения и микропроцессорным блоком, и состоящий из нормирующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя, соединенных последовательно.
- в схему блока обработки сигналов были введены блок отображения измерительной информации и блок управления, соединенные с микропроцессорным блоком.
- в схему блока обработки сигналов был введен блок памяти, соединенный с микропроцессорным блоком.
- в схему блока обработки сигналов был введен блок часов реального времени, выход которого был соединен с микропроцессорным блоком.
- в схему блока обработки сигналов был введен GPS/ГЛОНАСС навигационный блок, соединенный с микропроцессорным блоком и блоком часов реального времени.
- в схему блока обработки сигналов был введен блок интерфейса USB, соединенный с микропроцессорным блоком.
- блок отображения измерительной информации и блок управления были выполнены в виде блока индикации и управления на основе сенсорного дисплея, соединенного с микропроцессорным блоком.
Сущность полезной модели и ее преимущества могут быть более детально пояснены нижеследующими рисунками, на которых изображены:
На фиг. 1 - функциональная схема устройства;
На фиг. 2 - схема подключения устройства при проведении измерений;
На фиг. 3 - экспериментальные зависимости тока через заземляющее устройство и напряжения на заземляющем устройстве опоры воздушной линии электропередачи при измерении сопротивления импульсным методом с использованием генератора импульсов на основе индуктивного накопителя;
На фиг. 4 и фиг. 5 - сравнительные экспериментальные осциллограммы импульсов тока через заземляющее устройство при использовании в устройстве для измерения сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи генераторов импульсов тока на основе емкостного и индуктивного накопителей.
Устройство для измерения сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ) опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи без отсоединения грозозащитного троса (см. Фиг. 1) содержит удаленные токовый электрод 1 и потенциальный электрод 2, аккумулятор 3, блок формирования питающих напряжений 4, блок обработки сигналов 5, генератор импульсов тока 6, включенный между токовым электродом 1 и заземляющим устройством 7 опоры воздушной линии электропередачи 30 и соединенный с блоком формирования питающих напряжений 4, блок первичных датчиков 8, состоящий из датчика тока 9 и датчика напряжения 10, подключенный к заземляющему устройству 7, токовому электроду 1, потенциальному электроду 2 и соединенный с блоком обработки сигналов 5. Генератор импульсов тока 6 выполнен по схеме с индуктивным накопителем энергии и содержит: блок питания 11, соединенный с блоком формирования питающих напряжений 4, двухобмоточный индуктивный накопитель энергии 12, первичная обмотка которого включена межу блоком питания 11 и ключом 13, параллельно которому включены диод 14 и ограничитель напряжения 15, причем управляющий вывод ключа соединен с выходом буферного усилителя 16, вход которого подключен к микропроцессорному блоку 17, при этом вторичная обмотка индуктивного накопителя энергии 12 одним выводом подключена через датчик тока 9 к заземляющему устройству 7, а другим - ко второму диоду 18, катод которого подключен к удаленному токовому электроду 1, причем параллельно диоду включен ограничитель напряжения 19.
2
3
Магнитопровод двухобмоточного индуктивного накопителя энергии 12 может быть выполнен из двух Е-образных сердечников 00К5528Е026 фирмы Magnetics (длина средней линии 12.3 см, поперечное сечение 3.5 см, объем магнитопровода 43.1 см) на основе материала Kool Mµ, который характеризуется высокой индукцией насыщения, малыми потерями на высоких частотах, низкой магнитной проницаемостью, что позволяет повысить добротность индуктивного накопителя.
Ключ 13 генератора импульсов тока 6 и диод 14, включенный параллельно ключу 13, могут быть выполнены на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), который имеет встроенный антипараллельный диод. В качестве такого транзистора может быть использован IGBT транзистор IRG7PH35UD1 фирмы International Rectifier, имеющий малое время переключения, низкие динамические потери и потери проводимости, прямоугольную область безопасной работы при выключении (Reverse Biased Safe Operating Area - RBSOA), что особенно важно в описываемом устройстве, так как ключ 13, разрывающий ток через индуктивный накопитель 12, работает на границе RBSOA.
В качестве диода 18 может быть использован быстродействующий диод HER207. В качестве буферного усилителя 16, обеспечивающего необходимые значения тока и напряжения для управления затвором IGBT транзистора ключа 13, может быть использована микросхема IR4426S драйвера управления IGBT и MOSFET ключами фирмы International Rectifier.
Ограничители напряжения 15 и 19 в схеме генератора импульсов тока 6 могут быть выполнены в виде варисторов. В качестве ограничителя напряжения 15 может быть использован варистор TVR20681 фирмы Thinking Electronic, а в качестве ограничителя напряжения 19 - S10K420 фирмы Epcos.
Первичный датчик тока 9 выполнен из регулируемого токового шунта (РТШ), включенного между заземляющим устройством 7 и генератором импульсов тока 6, и соединен с блоком обработки тока 19, входящим в состав блока обработки сигналов 5. Блок обработки тока 19, включенный между выходом РТШ 9 и микропроцессорным блоком 17, состоит из нормирующего усилителя 20 и аналого-цифрового преобразователя 21, соединенных последовательно.
РТШ 9 соединен с микропроцессорным блоком 17. Это позволит устанавливать значение сопротивления токового шунта таким образом, чтобы значение напряжения, снимаемого с РТШ 9, пропорциональное току через ЗУ, соответствовало входному динамическому диапазону АЦП 21. В РТШ 9 может быть использована микросхема коммутатора аналоговых сигналов (мультиплексора) AD8184 фирмы Analog Devices. В качестве АЦП 21 может быть использована микросхема ADC08B200 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя с буфером захвата и частотой преобразования до 200 Мбит/с.
Первичный датчик напряжения 10 выполнен из регулируемого делителя напряжения (РДН), включенного между заземляющим устройством 7 и потенциальным электродом 2, и соединен с блоком обработки напряжения 22, входящим в состав блока обработки сигналов 5. Блок обработки напряжения 22, включенный между выходом РДН 10 и микропроцессорным блоком 17, состоит из нормирующего усилителя 23 и аналого-цифрового преобразователя 24, соединенных последовательно.
РДН 10 соединен с микропроцессорным блоком 17. Это позволит устанавливать значение коэффициента деления РДН 10 таким образом, чтобы значение напряжения, снимаемого с РДН, пропорциональное напряжению на ЗУ, соответствовало входному динамическому диапазону АЦП 24. Для реализации РДН могут быть использованы микросхемы коммутаторов аналоговых сигналов (мультиплексоры) AD8174 и AD8184 фирмы Analog Devices. В качестве АЦП может быть использована микросхема ADC08B200 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя с буфером захвата и частотой преобразования до 200 Мбит/с.
В схему могут быть введены блок отображения измерительной информации и блок управления, соединенные с микропроцессорным блоком 17. Причем эти блоки могут быть выполнены в виде одного блока индикации и управления 25 на основе сенсорного дисплея, соединенного с микропроцессорным блоком 17. Это позволит отображать для визуального контроля форму импульсов тока через ЗУ и напряжения на ЗУ, измеренное значение сопротивления ЗУ, а также управлять работой устройства с использованием виртуальных элементов управления. В качестве блока индикации и управления 25 может быть использован монохромный жидкокристаллический (ЖК) дисплей WG320240D диагональю 5.1 дюйма и разрешением 320×240 точек фирмы Winstar совместно с резистивной сенсорной панелью TS320240D фирмы Winstar.
В схему может быть введен блок памяти 26 для сохранения результатов измерений. Блок памяти может быть выполнен в виде микросхемы энергонезависимой flash-памяти, что позволит сохранять результаты измерений при выключении питания устройства. В блоке памяти 26 может быть использована микросхема AT45DB642 flash-памяти объемом 64Mbit фирмы Atmel.
В схему может быть введен блок часов реального времени 27, выход которого соединен с микропроцессорным блоком 17. Это позволит дополнять сохраняемые в блоке памяти данные измерений сопротивлений ЗУ, временем проведения измерений. Блок часов реального времени может быть выполнен на микросхеме ATmega48PA 8-битного AVR микроконтроллера фирмы Atmel.
В схему может быть введен GPS/ГЛОНАСС навигационный блок 28, соединенный с микропроцессорным блоком 17 и блоком часов реального времени 27. Это позволит синхронизировать часы реального времени с сигналами точного времени, а также позволит дополнять сохраненные в блоке памяти данные измерений сопротивлений ЗУ географическими координатами места проведения измерений. В качестве навигационного блока 28 может быть использован GPS/ГЛОНАСС приемный модуль RYN25AI со встроенной антенной и интерфейсом UART фирмы Reyax.
В схему может быть введен блок интерфейса USB 29, соединенный с микропроцессорным блоком 17. Это позволит переносить сохраненные в блоке памяти данные измерений на внешний персональный компьютер (ПК) и дистанционно управлять работой устройства с внешнего ПК. В качестве блока интерфейса USB может быть использована микросхема FT232RL преобразователя интерфейса UART-USB фирмы Future Technology Devices.
Микропроцессорный блок 17 может быть выполнен в виде микроконтроллера, позволяющего реализовать на одной микросхеме все функции управления, вычисления и передачи информации, необходимые для работы устройства. В качестве микроконтроллера может быть использована микросхема ATmega1284 8-битного AVR микроконтроллера фирмы Atmel.
Блок формирования питающих напряжений 4 предназначен для формирования из напряжения аккумулятора 3 стабилизированных напряжений: +3.3 В для питаний цифровых микросхем; +5 В, -5 В для питания аналоговой части устройства;+20 В для питания микросхем драйверов IGBT ключей и для питания генератора импульсов тока, и может быть выполнен по схеме многоканального повышающего импульсного преобразователя напряжения.
В качестве аккумулятора 3 в заявленном устройстве в отличие от свинцово-гелевого аккумулятора известного устройства может быть использован литий-ионный (Li-Ion) аккумулятор, обладающий меньшей массой и габаритами. В описываемом устройстве может быть использован аккумулятор UR18650ZT напряжением 3.7 В и емкостью 2800 мА·ч фирмы Sanyo.
Блок питания 11 генератора импульсов тока формирует постоянное напряжение +100 В и может быть выполнен по схеме повышающего импульсного преобразователя на основе MOSFET транзистора IRF640 фирмы STMicroelectronics и микросхемы драйвера управления IGBT и MOSFET ключами IR4426S фирмы International Rectifier.
Работает устройство для измерения сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ) опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи без отсоединения грозозащитного троса следующим образом.
Перед началом проведения измерений забиваются два стержневых электрода - токовый 1 и потенциальный 2 (см. фиг. 2) - на расстоянии 50 метров от основания опоры 30, таким образом, чтобы угол образованный проводником 33, соединяющим выход «С» устройства 32 с токовым электродом 1, и проводником 34, соединяющим выход «Р» устройства 32 с потенциальным электродом 2, составлял около 90 градусов (двухлучевая схема измерения). Выход «Е» устройства 32 подключается коротким проводником со струбциной 31 к телу опоры 30, которая может иметь присоединенный грозозащитным трос 35.
Потенциальный электрод 2 (см. фиг. 2) служит для измерения падения напряжения на сопротивлении ЗУ исследуемой опоры. Падение напряжения на заземляющем устройстве опоры измеряется как разность потенциалов между металлическими элементами опоры 30 и точкой нулевого потенциала, в качестве которой используется потенциальный электрод 2.
Электрическая цепь (см. фиг. 1): заземляющее устройство - регулируемый токовый шунт 9 - генератор импульсов тока 6 - проводник, соединяющий генератор импульсов тока с токовым электродом - токовый электрод 1 - грунт, образует токовый контур.
W ГТ
W ТК
ЗУ
ТЭ
W ТК
При измерении сопротивления ЗУ импульсным методом, грозотрос, соединяющий исследуемую опору с соседними, и контур с током обладают волновыми свойствами. Волновое сопротивление линии грозотрос - поверхность земли Z составляет 400 Ом. Волновое сопротивление токовой линии Z также близко к значению 400 Ом, но из-за различного расстояния от провода токового контура до поверхности земли, в действительности может иметь значительную неравномерность вдоль линии. Комплексное сопротивление токового контура (см. фиг. 2) определяется суммой сопротивлений заземляющего устройства опоры Z, токового электрода Z и волнового сопротивления проводника токового контура Z.
Для проведения измерений включают устройство, для этого подают напряжение с аккумулятора 3 (см. фиг. 1) на блок формирования питающих напряжений 4, который формирует напряжения, необходимые для питания всех блоков устройства. После подачи команды микропроцессорному блоку 17 на проведение измерений, начинается цикл определения сопротивления ЗУ опоры ВЛ.
Микропроцессорный блок 17 формирует управляющий импульс напряжения на ключе 13, тем самым запуская формирование импульса тока в токовом контуре. Генератор импульсов тока 6 построен по схеме обратноходового преобразователя, в котором двухобмоточный индуктивный накопитель 12 (дроссель) можно рассматривать как повышающий трансформатор.
Цикл формирования генератором импульса тока в нагрузке состоит из фазы накопления энергии в индуктивном накопителе и фазы передачи ее в нагрузку.
L
В фазе накопления энергии индуктивным накопителем ключ 13 открыт. Ток I в индуктивности первичной обмотки индуктивного накопителя 12 будет нарастать до тех пор, пока на затворе ключа 13 присутствует отпирающее напряжение. К моменту окончания управляющего импульса длительностью Δt, ток в первичной обмотке достигнет максимального значения:
ИН
где U - напряжение питания индуктивного накопителя, формируемое блоком питания 11, а Lµ - индуктивность намагничивания трансформатора 12.
По истечении времени Δt начинается фаза разряда индуктивного накопителя 12 и отдачи энергии в нагрузку. Ключ 13 закрывается, прерывая ток через обмотку индуктивного накопителя. Полярность напряжения первичной обмотки трансформатора 12 вследствие самоиндукции меняется на противоположную, открывается диод 18, и накопленная в индуктивном накопителе энергия поступает в нагрузку - токовый контур. В токовом контуре, подключенном к выходу генератора, формируется импульс тока, описываемый выражением:
TK
TK
где kT - коэффициент трансформации двухобмоточного индуктивного накопителя (kT>1), а постоянная времени г определяется как t=kT2µ/Z, где Z - комплексное сопротивление токового контура. При этом на первичной обмотке индуктивного накопителя 12 возникает выброс напряжения, который может привести к опасному перенапряжению на ключе 13. Для защиты ключа используется ограничитель перенапряжения 15. Ограничитель 15 также защищает ключ 13 от опасного перенапряжения, которое может возникнуть при обрыве проводника токовой линии (внезапное возникновение режима холостого хода генератора).
H
H
H
По истечении времени двойного пробега волны тока по линии, определяемой ее длиной и скоростью распространения волны (для линии длиной 50 м это время составит приблизительно 0.9 мкс) нагрузку генератора можно рассматривать как параллельную цепь (контур) с сосредоточенными параметрами. В контур входят емкость кабеля токовой линии на землю С, сопротивление Z, определяемое в основном сопротивлением токового электрода, и индуктивность намагничивания трансформатора индуктивного накопителя Lµ. В зависимости от соотношения сопротивления Z и характеристического (волнового) сопротивления контура, ток в нагрузке может иметь как апериодический, так и периодический характер. Последний возникает при выполнении условия:
В этом случае в фазе разряда индуктивного накопителя, когда диод 18 открыт, ток в нагрузке имеет емкостной характер и через некоторое время уменьшается до нуля, а затем меняет направление. При этом на закрытом диоде 18 возникает напряжение, которое может превысить максимально допустимое обратное напряжение диода. Для предотвращения пробоя диода 18 служит параллельно включенный ограничитель напряжения 19.
ЗУ
ЗУ
Таким образом, под воздействием импульса тока, формируемого генератором на основе индуктивного накопителя в токовом контуре, на заземляющем устройстве исследуемой опоры возникает падение напряжения. Типовые экспериментальные временные зависимости тока через ЗУ I(t) и падения напряжения на сопротивлении ЗУ U(t) приведены на фиг. 3.
Одновременно с запуском генератора импульсов тока начинается процесс измерения сопротивления ЗУ опоры ВЛ, состоящий из нескольких циклов. Регулируемый делитель напряжения (РДН) 10 имеет 8 значений коэффициента деления, обеспечивающие следующие диапазоны измерения напряжения на ЗУ: 4000 В, 2000 В, 1000 В, 500 В, 250 В, 125 В, 63 В, 31 В. Токовый шунт (РТШ) 9 имеет 4 значения сопротивления, обеспечивающие следующие диапазоны измерения тока через ЗУ: 8 А, 4 А, 2 А, 1 А.
ЗУ
ЗУ
i
i
ЗУ
ЗУ
max
max
В первом цикле микропроцессорный блок 17 устанавливает коэффициент деления РДН 10 максимальным, соответствующим диапазону измерения U равном 4000 В, а сопротивление РТШ 9 минимальным, соответствующим диапазону I равном 8 А. Аналоговые сигналы напряжения, пропорциональные току через ЗУ и падению напряжения на ЗУ, снимаются с РДН 10 и РТШ 9 и поступают на АЦП 21 блока измерения тока 19 и АЦП 24 блока измерения напряжения 22. Частота дискретизации АЦП 21, 24 лежит в диапазоне от 20 до 200 МГц и задается перед проведением измерения. Первичным результатом измерений, выполняемых устройством, являются массивы дискретизированных значений тока I и напряжения U, амплитуда которых выражена в уровнях квантования АЦП, сохраненные в памяти микропроцессорного блока 17 и соответствующие экспериментальным кривым тока через ЗУ I(t) и напряжения на ЗУ U(t). Далее микропроцессорный блок определяет максимальное значение тока через ЗУ I и напряжения на ЗУ U, измеряемые в отсчетах квантования АЦП. На этом первый цикл измерения заканчивается.
max
ЗУ
max
ЗУ
max
max
Если полученное значение максимума тока I составляет менее половины динамического диапазона АЦП 21, то микропроцессорный блок 17 дет команду на увеличение на одну ступень значения сопротивления РТШ 9 (уменьшает диапазон измерения I до 4 А). Если полученное значения максимума напряжения U составляет менее половины диапазона квантования АЦП 24, то микропроцессорный блок 17 дает команду на уменьшение на одну ступень коэффициента деления РДН 10 (уменьшает диапазон измерения U до 2000 В). После этого запускается генератор импульсов тока 6 и начинается новый цикл измерения. Описанный цикл измерения повторяется до тех пор, пока полученные значения I и U, измеряемые в уровнях квантования АЦП, не будут превосходить половину диапазона квантования АЦП. Этот цикл измерения считается последним.
max
max
Если после очередного цикла измерений одна из величин I или U, или обе величины, измеряемые в отсчетах квантования АЦП, имеют максимальное значение для данной разрядности АЦП (превышен диапазон квантования), то микропроцессорный блок уменьшает на одну ступень значение сопротивления РТШ 9 или-и, соответственно, увеличивает коэффициент деления РДН 10, запускает генератор импульсов тока 6 и производит последний цикл измерения.
i
i
ЗУ
ЗУ
i
i
ЗУ
Таким образом, после последнего цикла измерения в памяти микропроцессорного блока 17 сохраняются массивы дискретизированных значений тока I и напряжения U, амплитуда которых выражена в уровнях квантования АЦП, соответствующие экспериментальным кривым тока через ЗУ I(t) и напряжения на ЗУ U(t), максимальное значение которых лежит в диапазоне от 0.5*2N до 2N-1, где N - разрядность АЦП. Далее микропроцессорный блок вычисляет, с учетом последних значений коэффициента деления РДН 10 и сопротивления РТШ 9, массив дискретизированные значений тока I и напряжения U, выраженных в Амперах и Вольтах, соответствующие экспериментальным зависимостям тока через ЗУ I(t) и напряжения на ЗУ UЗУ(t). Также определяется измеряемое в Омах значение сопротивления ЗУ в соответствии с выражением:
max
max
ЗУ
ЗУ
ЗУ
Максимальные значения тока через ЗУ I и падения напряжения на ЗУ U, а также значение Z поступают в блок индикации и управления 25 и выводятся на экран дисплея. Также в блок индикации и управления 25 поступают и выводятся на экран дисплея в графическом виде зависимости I(t) и U(t), по которым можно визуально контролировать корректность проведенных измерений и вносить изменения в настройки устройства.
ЗУ
ЗУ
дискр
Длительность переходного процесса в ЗУ под воздействием импульса тока зависит от геометрической протяженности ЗУ. Чтобы обрабатываемые экспериментальные кривые тока через ЗУ и напряжения на ЗУ содержали информацию о полном переходном процессе, необходимо изменять длительность интервала обработки экспериментальных кривых I(t) и U(t). При фиксированном числе точек дискретизации сигнала по времени интервал обработки, выраженный в реальном времени, можно изменять, меняя частоту дискретизации АЦП 21, 24. В устройстве частота дискретизации F лежит в диапазоне от 20 до 200 МГц. При коротких переходных процессах используются большие значения частоты дискретизации.
Изменяя длительность фазы заряда индуктивного накопителя Δt, можно изменять запасаемую в нем энергию и, следовательно, амплитуду выходного импульса тока.
Для увеличения точности определения расчетных величин в ходе одного измерения могут обрабатываться усредненные данные, накопленные при воздействии на ЗУ нескольких импульсов тока. Число импульсов в одном измерении можно изменять от 1 до 100.
max
max
ЗУ
ЗУ
ЗУ
Также полученные результаты измерения - I, U, Z, I(t) и U(t) - могут быть сохранены в блоке памяти 26 устройства в виде файла. В файл автоматически добавляется информация о времени и дате проведения измерений, формируемая в блоке часов реального времени 27, а также текущие географические координаты, поступающие из навигационного GPS/ГЛОНАСС блока 28. Навигационный блок 28 предназначен также для коррекции часов реального времени с использованием высокоточных сигналов временной синхронизации, привязанных к шкале времени UTC с расхождением не более 1 секунды.
При необходимости файл может быть дополнен словесным комментарием (например, наименованием ЛЭП, номером опоры, условиями проведения измерения и т.п.), который вводится с виртуальной клавиатуры, отображаемой на сенсорном дисплее блока индикации и управления 25.
Файлы с результатами измерений из блока памяти 26 устройства могут быть переданы микропроцессорным блоком 17 через блок интерфейса USB 29 в персональный компьютер.
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены экспериментальные осциллограммы импульсов тока через заземляющее устройство, полученные с использованием генератора импульсов тока на основе емкостного накопителя энергии (кривая 1 на фиг. 4 и фиг. 5) и генератора импульсов тока на основе индуктивного накопителя энергии заявленного устройства (кривая 2 на фиг. 4 и фиг. 5). Перегиб кривой тока 1 на фиг. 4 в районе 0.3 мкс вызван значительным изменением волнового сопротивления на соответствующем участке токовой линии. На фиг. 5 на кривой тока 1 при времени 0.9 мкс наблюдается резкий перегиб, вызванный отражением волны тока из-за отсутствия согласования на конце линии (волновое сопротивление линии с током не совпадает с сопротивлением токового электрода). В обоих случаях форма кривой 2 импульса тока, полученного с использованием генератора на основе индуктивного накопителя энергии заявленного устройства, сохраняется. Применение в заявленном устройстве генератора импульсов тока на основе индуктивного накопителя энергии обеспечивает постоянство формы импульса в токовой линии независимо от степени ее согласования и распределения волнового сопротивления вдоль нее, что увеличивает точность измерения сопротивления заземляющего устройства опоры воздушной линии электропередачи без отсоединения грозозащитного троса по сравнению с ближайшим аналогом.
Заявленная полезная модель обеспечивает большую энергию импульса тока, формируемого генератором на основе индуктивного накопителя (около 1 Дж) и, соответственно, амплитуду тока в токовом контуре (до 5 А) по сравнению с аналогичными устройствами, что увеличивает соотношение полезный сигнал/помеха на входе измерительной части устройства и, следовательно, повышает точность измерения сопротивления ЗУ. Значительная энергия импульса тока в заявленном устройстве обеспечивает возможность проведения измерений при суммарном сопротивлении токового контура до 5 кОм. Это позволяет проводить измерения сопротивления заземляющих устройств, расположенных в грунтах с высоким удельным сопротивлением, и снижает требования к качеству заземления (сопротивлению) токового электрода.
Наиболее успешно заявленное устройство может быть промышленно применимо для измерения, с высокой точностью и информативностью полученных результатов, сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи с грозозащитным тросом или без него, в том числе опор воздушных линий электропередачи расположенных в районах с плохопроводящими и скалистыми грунтами.
Источники информации
1. Целебровский Ю.В., Микитинский М.Ш. Измерение сопротивлений заземления опор ВЛ. М.: Энергоатомиздат, 1988
2. Earthing impulse meter type WG-407 - http://atmor.pl/User_manual_WG407.pdf
3. Udarowy miernik  typ WG-407 - http://www.merazet.pl/download.php?plik=2607
4. Патент на изобретение CN 103675462 A, МПК G01R 27/20, Small-current lightning impulse grounding impedance testing method and device.