Счётчик импульсов тока через ограничитель перенапряжения
CURRENT PULSE COUNTER THROUGH OVERVOLTAGE LIMITER

Область техники
Изобретение относится к электротехнике и может найти применение для эксплуатационного контроля высоковольтных ограничителей перенапряжения нелинейных (ОПН), выполненных на основе варисторов, применяемых в системах защиты электрических сетей от грозовых и коммутационных импульсов перенапряжения.
Уровень техники
При эксплуатации ОПН для косвенной оценки состояния варисторов, входящих в состав ОПН, используют, в частности, счетчики импульсов в соответствии с ГОСТ Р 53735.5-2009 (п. 9.3.1), которые срабатывают при импульсных токах через ОПН выше определенной амплитуды. Предполагается, что с ростом числа импульсов тока ресурс ОПН снижается, причём скорость деградации ОПН зависит от количества и амплитуды импульсов тока, поэтому целесообразно производить селекцию импульсов, то есть считать отдельно импульсы большой и меньшей амплитуды.
Известны электромеханические счётчики импульсов тока через ОПН, например, по патентам США US 4338648, US 4495459, US 6208496. Недостатками таких счетчиков является низкая надёжность, присущая электромеханическим устройствам. Кроме того, электромеханические счетчики срабатывают в том числе и на импульсы малой амплитуды, не оказывающие никакого деструктивного действия на современные ОПН. Для защиты обмоток счетчиков от перенапряжения, возникающего при прохождении больших токов через ОПН используются варисторы такой же мощности, что и входящие в состав ОПН, что увеличивает габариты и стоимость счётчиков.
Более надёжными и информативными устройствами являются электронные счетчики импульсов, включающие аналоговые и (или) цифровые вычислительные устройства, обеспечивающие селекцию импульсов по амплитуде тока или по величине заряда и запись этих параметров, а также высокое быстродействие. В частности, приборы мониторинга ОПН, выпускаемые фирмой ABB (Швеция) «Excount-II» [Excount-II. http://www.abb.com], представляют собой интеллектуальные устройства, где центральный процессорный блок осуществляет функцию управления, производит запоминание и хранение получаемой информации по импульсам разрядного тока. В частности, происходит раздельное накопление информации по импульсам тока амплитудой >10 A, >100 A, >1000 A, >5000 A, >10000 A, длительностью 8/20 мкс. Ещё одно устройство, анализирующее параметры импульсов тока через ОПН, представлено в патенте на полезную модель «Устройство для измерения параметров импульсов разрядного тока» (патент RU 77050 от 20.05.2008 г., МПК G01R 31/02). В нём также содержатся аналоговые и цифровые вычислительные устройства, осуществляющие селекцию и запоминание импульсов тока через ОПН. Одним из основных недостатков известных устройств является необходимость в автономном источнике электропитания. Например, в устройстве «Excount-II» в качестве источника питания используется аккумуляторная батарея, заряжаемая от солнечной батареи и датчика электрического поля. Срок службы аккумуляторных батарей невелик. Поскольку минимальный срок службы ОПН по ГОСТ Р 52725-2007 (п. 12.2) составляет 25 лет, за время эксплуатации ОПН придётся несколько раз менять батарею. Кроме того, солнечная батарея со временем загрязняется, что снижает её эффективность. При эксплуатации ОПН в условиях крайнего севера, эффективность солнечных батарей также невелика. В описании к патенту RU 77050 отсутствуют сведения о типе источника питания, но скорее всего там также используется батарея аккумуляторов или гальванических элементов. Применение внешнего питания по проводам во многих случаях нежелательно, в связи с удалённостью установки ОПН от доступных источников электроэнергии.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является прибор для измерения энергии импульса, по патенту США US 5497075 от 05.03.1996 г., МПК G01R 31/02. Прибор включает в себя датчик тока на основе трансформатора тока, выдающий напряжение, пропорциональное току в заземляющем тоководе ОПН, 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. В описании к патенту не указано, от какого источника питаются электронные компоненты, входящие в состав прибора. По умолчанию предполагается питание от встроенных химических источников энергии или внешнее питание по проводам.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат изобретения – повышение надёжности и долговечности счётчика, а также снижение его стоимости. В настоящем изобретении это достигается питанием электронных цепей счетчика во время записи импульса тока через ОПН за счёт энергии этого импульса. Предметом изобретения, обеспечивающим получение этого результата, являются электрические цепи, отбирающие часть энергии импульса тока через ОПН и питающие электронные цепи счётчика, в то время как счётчик анализирует и записывает данные в свою энергонезависимую память. Тем самым исключается необходимость в автономных или внешних источниках питания.
Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где:
– на фиг. 1 изображена структурная схема счётчика импульсов тока через ОПН;
– на фиг. 2 – временные диаграммы, поясняющие работу счётчика.
Структуру счётчика иллюстрирует фиг. 1.
ОПН 2 присоединяется одним выводом к защищаемой линии высокого напряжения 1, а другим, через токовод заземления 3 – к заземлению 17. Токовод заземления 3 образует первичную обмотку трансформатора тока 4, на магнитопроводе которого расположена вторичная обмотка. Выводы вторичной обмотки подключены к резистору 5 и к выводам переменного тока мостового выпрямителя 6. К выводам постоянного тока выпрямителя 6 присоединены накопительный конденсатор 7, ограничитель напряжения 8 и, через диод 9, интегрирующий конденсатор 10. Параллельно конденсатору 10 включен вход делителя напряжения 11, выход которого присоединён ко входам пороговых устройств 13 и 14. Выходы пороговых устройств 13 и 14 подключены к цифровым входам вычислительного блока 15, выводы питания которого подключены к выходам стабилизатора напряжения 12, входы которого, в свою очередь, присоединены к конденсатору 7. Вычислительный блок 15 соединён линиями передачи данных с блоком обмена данными 16.
Осуществление изобретения
Заявленный счётчик работает следующим образом.
c
д
п1
п2
1
2
c
3
2
3
При протекании импульса тока (обозначено I на фиг. 2) достаточно большой амплитуды через токовод заземления 3, по обмотке, расположенной на магнитопроводе 4, протекает ток, создающий на резисторе 5 напряжение, которое может быть той или иной полярности. Выпрямитель 6 преобразует это напряжение в однополярное. Накопительный конденсатор 7 в период прохождения импульса тока заряжается до напряжения U. Одновременно, через диод 9 заряжается интегрирующий конденсатор 10, причём напряжение на конденсаторе 10 приблизительно пропорционально интегралу от импульсного тока I. Диод 9 препятствует разряду интегрирующего конденсатора 10 в цепь питания вычислительного блока 15. Делитель напряжения 11 преобразует напряжение на конденсаторе 10 в пропорционально меньшее напряжение U, диапазон изменения которого согласован со входным диапазоном пороговых устройств 13 и 14. Сопротивления резисторов, образующих делитель напряжения 11, выбираются достаточно большими для того, чтобы напряжение на интегрирующем конденсаторе 10 не успевало существенно уменьшится за время считывания. Пороговые устройства (одно или несколько) имеют различные пороги переключения (на фиг. 2 Uи U), величина которых устанавливается в соответствии с требуемыми интервалами энергий анализируемых импульсов тока через ОПН. Выходные сигналы пороговых устройств 13 и 14 представляют собой логические 0 или 1. Они поступают на цифровые входы вычислительного блока 15. К накопительному конденсатору 7 через стабилизатор напряжения 12 подключены выводы питания вычислительного блока 15. С возникновением на выводах питания вычислительного блока 15 напряжения, достаточного для его инициации (кривая +U на фиг. 2), он начинает выполнять записанную в его памяти программу. В ходе выполнения этой программы вычислительный блок 15 анализирует сигналы на выходах пороговых устройств 13, 14 и, в соответствии с их значениями, записывает информацию в свою энергонезависимую память. Этот процесс занимает интервал времени, ограниченный отметками t и t на фиг. 2.  На протяжении процесса анализа и записи информации вычислительным блоком 15, напряжение U на накопительном конденсаторе 7 уменьшается вследствие разряда током, питающим вычислительный блок 15. Когда оно станет меньше, чем номинальное выходное напряжение на стабилизаторе напряжения 12 (момент t на фиг. 2), вычислительный блок выключится и процесс анализа и записи импульса закончится. Параметры схемы должны быть выбраны таким образом, чтобы для самого слабого импульса тока через ОПН, из тех, которые должны быть зарегистрированы, t было бы меньше t. После спада напряжения счётчик перестаёт получать энергию и прекращает работу до протекания через ОПН следующего импульса тока достаточной энергии. Ограничитель напряжения 8 защищает электронные цепи счётчика при очень больших импульсах тока через ОПН.
Если необходимо считать содержимое счётчика, то во время считывания он может быть запитан от внешнего переносного устройства считывания через индуктивную связь или непосредственным подключением внешнего источника питания через разъём по проводам. Данные, хранящиеся в энергонезависимой памяти вычислительного блока 15, могут быть переданы через блок обмена данными 16 в устройство считывания.
В качестве ограничителя напряжения 8 может быть использован стабилитрон или супрессор, в качестве пороговых устройств 13 и 14 – микросхемы аналоговых компараторов. В качестве вычислительного блока 15 может быть использован микроконтроллер, имеющий в своём составе энергонезависимую память данных. Пороговые устройства могут входить с состав микроконтроллера. В качестве пороговых устройств также могут быть использованы аналого-цифровые преобразователи, входящие в состав микроконтроллера; в таком случае уровни порогов могут задаваться программно. Блок обмена данными также может входить в состав микроконтроллера.