RU162159U1

RU162159U1 - RESOURCES CONTROL DEVICE FOR PROTECTING AGENTS FROM PULSED OVERVOLTAGE

Info

Publication number: RU162159U1
Application number: RU2015149412/07U
Authority: RU
Inventors: Виктор Львович Ряполов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Хакель Рос"
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-05-27

Abstract

Устройство контроля ресурса устройства защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из последовательно соединенных датчика тока и формирователя сигналов, а также аналого-цифрового преобразователя и центрального процессорного устройства, выполненного с возможностью определять заряд, прошедший через устройство защиты от импульсных перенапряжений по времени, отличающееся тем, что дополнительно снабжено первым и вторым аналоговыми интеграторами, входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя сигнала, а выходы с первым и вторым входами дополнительно введенного аналогового сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.The resource control device of the surge protection device, consisting of a series-connected current sensor and a signal conditioner, as well as an analog-to-digital converter and a central processing unit, configured to determine the charge passed through the surge protection device in time, characterized in that additionally equipped with first and second analog integrators, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the signal conditioner, and the outputs with ervym and second inputs additionally inputted analog adder whose output is connected to the input of analog-to-digital converter.

Description

Заявляемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для определения остаточного ресурса устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), применяемых для защиты электрических сетей и оборудования от микросекундных импульсов перенапряжения, возникающих в результате ударов молний, коммутаций мощных нагрузок, а также поможет при планировании диагностических мероприятий, ремонтных работ, сроков и объемов замены УЗИП.The inventive utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to determine the residual life of surge protection devices (SPDs) used to protect electrical networks and equipment from microsecond surge pulses arising from lightning strikes, switching powerful loads, and will also help with planning of diagnostic measures, repair work, terms and volumes of replacement of SPD.

В настоящее время в качестве устройства контроля УЗИП используются счетчики импульсов, например, счетчик (регистратор) французской фирмы «CITEL» (http://www.citel.ru), предназначенный для регистрации импульсов тока, протекающих в цепях установки УЗИП при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений. Оценка показаний счетчика позволяет осуществлять контроль активности УЗИП и на этом основании делать некоторые предположения о расходовании его ресурса.Currently, pulse counters are used as an SPD monitoring device, for example, a counter (recorder) of the French company CITEL (http://www.citel.ru), designed to register current pulses flowing in the SPD installation circuits when exposed to lightning and switching overvoltage. Evaluation of the meter readings allows you to monitor the activity of the SPD and, on this basis, make some assumptions about the expenditure of its resource.

Известен электромагнитный счетчик импульсов тока СИТЭ-100К-1, выпускаемый фирмой ЗАО «Хакель Рос» (http://www.hakel.ru).The known electromagnetic counter of current pulses SITE-100K-1, manufactured by the company Hackel Ros (http://www.hakel.ru).

Счетчик состоит из последовательно соединенных датчика тока, формирователя сигнала, пороговой схемы и центрального процессорного устройства (ЦПУ). Недостатком счетчика, равно как и всех прочих регистраторов числа срабатываний, является то, что они реагируют на факт протекания тока, величина которого больше определенного значения, но не дают представления об энергетических характеристиках воздействий, которым подвергается УЗИП, и, следовательно, по показаниям счетчика нельзя точно определить остаточный ресурс УЗИП.The counter consists of a series-connected current sensor, a signal conditioner, a threshold circuit and a central processing unit (CPU). The disadvantage of the counter, as well as of all other recorders of the number of trips, is that they respond to the fact of the flow of current, the magnitude of which is greater than a certain value, but do not give an idea of the energy characteristics of the effects that the SPD is subjected to, and therefore, according to the meter’s readings, it is impossible accurately determine the residual life of the SPD.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство контроля ресурса УЗИП (патент на ПМ №134663, опубл. 20.11.2013), состоящее из последовательно соединенных датчика тока, формирователя сигналов, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и центрального процессорного устройства (ЦПУ).Closest to the claimed technical solution is a device for monitoring the life of an SPD (patent for PM No. 134663, publ. 11/20/2013), consisting of a series-connected current sensor, signal conditioner, analog-to-digital converter (ADC) and a central processing unit (CPU).

Принцип работы устройства основан на измерении электрического заряда путем интегрирования тока, протекающего через УЗИП во время его срабатывания, и вычислении остаточного ресурса УЗИП как разности между первичным ресурсом, выраженным в единицах заряда, и частью ресурса, потерянной при коммутации импульса тока. В качестве первичного ресурса используется суммарный электрический заряд, который способен пропустить через себя УЗИП за весь период эксплуатации.The principle of operation of the device is based on measuring the electric charge by integrating the current flowing through the SPD during its operation, and calculating the residual life of the SPD as the difference between the primary resource expressed in units of charge and the part of the resource lost during switching of the current pulse. As a primary resource, the total electric charge is used, which is capable of passing an SPD through itself for the entire period of operation.

Недостатком данного устройства является косвенный метод определения заряда, основанный на преобразовании импульса тока в массив цифровых отсчетов с последующим суммированием, приводящий к большой погрешности измерения заряда импульсов большой длительности.The disadvantage of this device is the indirect method of determining the charge, based on the conversion of the current pulse into an array of digital samples with subsequent summation, leading to a large error in measuring the charge of pulses of long duration.

Предположим, что устройство предназначено для определения остаточного ресурса УЗИП SPC1 150, выпускаемых ЗАО «Хакель Рос» (http://www.hakel.ru), а для дискретизации импульса тока используется 8-разрядный АЦП. Технические характеристики УЗИП приведены в табл. 1.Suppose that the device is designed to determine the residual life of SPC1 150 SPDs manufactured by Hakel Ros CJSC (http://www.hakel.ru), and an 8-bit ADC is used to sample the current pulse. Technical characteristics of the SPD are given in table. one.

Для выполнения измерений полная аналоговая шкала АЦП должна соответствовать максимальному разрядному току (8/20 мкс) Imax=150 кА. Тогда величина младшего значащего разряда LSB=Imax/256=0,6 кА.To perform measurements, the full analog ADC scale must correspond to a maximum discharge current (8/20 μs) Imax = 150 kA. Then the value of the least significant digit LSB = Imax / 256 = 0.6 kA.

На фиг. 1 приведены импульсы тока, соответствующие параметрам SPC1 150 и коммутирующие одинаковый заряд 2,5 Кл.In FIG. 1 shows current pulses corresponding to the parameters of SPC1 150 and commuting the same charge of 2.5 C.

Из фиг. 1 видно, что амплитуда импульса 8/20 мкс примерно в 28 раз больше амплитуды импульса 10/350 мкс. При этом значительная часть импульса 10/350 мкс оказывается ниже разрешающей способности АЦП и не участвует в вычислении заряда, что является основной составляющей погрешности измерения.From FIG. 1 it can be seen that the pulse amplitude of 8/20 μs is approximately 28 times greater than the pulse amplitude of 10/350 μs. In this case, a significant part of the 10/350 μs pulse is lower than the resolution of the ADC and does not participate in the calculation of the charge, which is the main component of the measurement error.

Дополнительную погрешность дает разница в

между величиной аналогового сигнала и его цифровым эквивалентом, известная как погрешность квантования.An additional error is given by the difference in

between the magnitude of the analog signal and its digital equivalent, known as the quantization error.

В табл. 2 приведены результаты расчетов ожидаемых погрешностей определения заряда для импульсов тока 8/20 мкс и 10/350 мкс различной амплитуды.In the table. Figure 2 shows the results of calculations of the expected errors in determining the charge for current pulses of 8/20 μs and 10/350 μs of various amplitudes.

Из графиков фиг. 1 и данных табл. 2 видно, что способ определения заряда, используемый в данном устройстве, не обеспечивает нужной точности измерений во всем диапазоне входных сигналов.From the graphs of FIG. 1 and the data table. 2 shows that the method of determining the charge used in this device does not provide the desired measurement accuracy in the entire range of input signals.

Технический результат заключается в повышении точности устройства. Для получения указанного технического результата устройство контроля ресурса УЗИП, состоящее из последовательно соединенных датчика тока и формирователя сигналов, а также аналого-цифрового преобразователя и центрального процессорного устройства, дополнительно снабжено первым и вторым аналоговыми интеграторами, входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя сигнала, а выходы с первым и вторым входами дополнительно введенного аналогового сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.The technical result is to increase the accuracy of the device. To obtain the specified technical result, the device for monitoring the life of the SPD, consisting of a series-connected current sensor and a signal conditioner, as well as an analog-to-digital converter and a central processing unit, is additionally equipped with first and second analog integrators, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the signal conditioner, and the outputs with the first and second inputs of an additionally introduced analog adder, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter spruce up.

Результат достигается за счет непосредственного преобразования импульса тока в напряжение, пропорциональное коммутируемому заряду, путем аналогового интегрирования. При этом полностью устраняется зависимость результата от амплитуды и длительности входного импульса.The result is achieved by directly converting the current pulse into a voltage proportional to the switched charge, by analog integration. In this case, the dependence of the result on the amplitude and duration of the input pulse is completely eliminated.

На фиг. 1 приведены импульсы тока, соответствующие параметрам SPC1 150 и коммутирующие одинаковый заряд 2,5 Кл., на фиг. 2 - блок-схема заявляемого устройства, на фиг. 3 - графики напряжения на входе и выходе интегратора, на фиг. 4 - пример реализации устройства контроля ресурса УЗИП.In FIG. 1 shows current pulses corresponding to the parameters of SPC1 150 and commuting the same charge of 2.5 C., in FIG. 2 is a block diagram of the inventive device; FIG. 3 - graphs of the voltage at the input and output of the integrator, in FIG. 4 - an example implementation of a device for monitoring the resource SPD.

Устройство контроля ресурса УЗИП (фиг. 2) состоит из последовательно соединенных датчика тока 1, формирователя сигналов 2, первого аналогового интегратора 3, второго аналогового интегратора 4, входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя сигнала 2, а выходы с первым и вторым входами аналогового сумматора 5, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6, последовательно соединенного с центральным процессорным устройством 7.The SPD resource control device (Fig. 2) consists of a series-connected current sensor 1, a signal conditioner 2, a first analog integrator 3, a second analog integrator 4, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the signal conditioner 2, and the outputs with the first and second inputs of the analog adder 5, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter 6, connected in series with the central processing unit 7.

Пусть заявляемое устройство также предназначено для определения остаточного ресурса УЗИП SPC1 150 и в нем также используется 8-разрядный АЦП. Для выполнения измерений полная аналоговая шкала АЦП должна соответствовать коммутируемому заряду Q=10 Кл, а величина младшего значащего разряда LSB=Q/256=0,04 Кл. Тогда для заявляемого устройства, при прочих равных условиях, основной составляющей погрешности измерения будет погрешность квантования

.Let the inventive device is also intended to determine the residual life of the SPC1 150 SPD and it also uses an 8-bit ADC. To perform measurements, the full analog ADC scale must correspond to a switched charge Q = 10 C, and the value of the least significant digit LSB = Q / 256 = 0.04 C. Then for the claimed device, ceteris paribus, the main component of the measurement error will be the quantization error

.

В табл. 3 приведены результаты расчетов ожидаемых погрешностей определения заряда для данного случая.In the table. Figure 3 shows the results of calculations of the expected errors in determining the charge for this case.

Устройство работает следующим образом. Через датчик тока 1 протекает импульс тока, проходящий через УЗИП при его срабатывании, где он линейно преобразуется в импульс напряжения. Формирователь сигнала 2 преобразует импульс датчика 1 в пару импульсов напряжения противоположной полярности. Каждый из двух аналоговых интеграторов 3, 4 формирует на выходе напряжение, пропорциональное площади отрицательной составляющей выходного сигнала формирователя и, как следствие, заряду, перенесенному импульсом тока. Положительная составляющая сигнала подавляется (фиг. 3).The device operates as follows. A current pulse flows through the current sensor 1, passing through the SPD when it is triggered, where it is linearly converted into a voltage pulse. The signal conditioner 2 converts the pulse of the sensor 1 into a pair of voltage pulses of opposite polarity. Each of the two analog integrators 3, 4 generates an output voltage proportional to the area of the negative component of the output signal of the former and, as a result, to the charge transferred by the current pulse. The positive component of the signal is suppressed (Fig. 3).

Аналоговый сумматор 5 предназначен для объединения сигналов интеграторов 3, 4 и согласования с динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, который производит периодические выборки аналогового сигнала и преобразует их в цифровую форму для анализа центральным процессорным устройством (ЦПУ) 7. ЦПУ 7 сравнивает текущее состояние выхода АЦП 6 с предыдущим, находит значение, после которого сигнал перестает увеличиваться, и пересчитывает его в заряд, прошедший через УЗИП.The analog adder 5 is designed to combine the signals of integrators 3, 4 and match the dynamic range of the analog-to-digital converter (ADC) 6, which produces periodic samples of the analog signal and converts them into digital form for analysis by a central processing unit (CPU) 7. CPU 7 compares the current state of the output of the ADC 6 with the previous one, finds the value after which the signal ceases to increase, and recounts it to the charge passed through the SPD.

Пример реализации устройства контроля ресурса УЗИП приведен на фиг. 1.An example implementation of a device for monitoring the resource of an SPD is shown in FIG. one.

В качестве датчика тока 1 можно использовать измерительный трансформатор тока Т1 с нагрузочным резистором R1. Конструктивно трансформатор тока Т1 представляет собой тороидальную катушку с магнитным сердечником. Катушка трансформатора Т1 содержит только вторичную обмотку. Первичной обмоткой является проводник, продетый через центральное отверстие катушки и последовательно соединенный с УЗИП. Число витков вторичной обмотки трансформатора тока Т1 и сопротивление нагрузочного резистора R1 совместно определяют коэффициент преобразования входного тока датчика в выходное напряжение.As a current sensor 1, a current measuring transformer T1 with a load resistor R1 can be used. Structurally, the current transformer T1 is a toroidal coil with a magnetic core. The transformer coil T1 contains only a secondary winding. The primary winding is a conductor threaded through the central hole of the coil and connected in series with the SPD. The number of turns of the secondary winding of the current transformer T1 and the resistance of the load resistor R1 together determine the coefficient of conversion of the input current of the sensor to the output voltage.

Формирователь сигнала 2 состоит из резисторов R2, R3.Signal conditioner 2 consists of resistors R2, R3.

Первый аналоговый интегратор 3 (DA1, C1, R6, R8, C3) и второй аналоговый интегратор 4 (DA2, C2, R7, R9, C4) включены по инвертирующей схеме с однополярным питанием. Резисторы R4, R5 и диодная сборка VD1 предназначены для первичного подавления положительной составляющей сигнала формирователя 2.The first analog integrator 3 (DA1, C1, R6, R8, C3) and the second analog integrator 4 (DA2, C2, R7, R9, C4) are turned on by an inverting circuit with unipolar power supply. Resistors R4, R5 and diode assembly VD1 are designed for primary suppression of the positive component of the signal of the driver 2.

Аналоговый сумматор 5 состоит из операционного усилителя DA3 и резисторов R10, R11, R12, R13.Analog adder 5 consists of an operational amplifier DA3 and resistors R10, R11, R12, R13.

Аналого-цифровой преобразователь 6 и центральное процессорное устройство 7 могут быть реализованы совместно на базе стандартного однокристального микроконтроллера со встроенным АЦП. ЦПУ 7 микроконтроллера должно включать в себя встроенную энергонезависимую память, допускающую возможность записи данных для хранения текущего значения остаточного ресурса при пропадании напряжения питания устройства.The analog-to-digital converter 6 and the central processing unit 7 can be implemented jointly on the basis of a standard single-chip microcontroller with a built-in ADC. The CPU 7 of the microcontroller must include a built-in non-volatile memory that allows the ability to record data to store the current value of the residual resource in the event of a power failure.

Предлагаемое устройство может быть реализовано с использованием аналоговых интегральных микросхем и микроконтроллеров общего применения, функционирующих от единственного источника питания положительной полярности, имеющего стандартное напряжение, например, +3,3 В или +5,0 В.The proposed device can be implemented using analog integrated circuits and microcontrollers of general use, operating from a single power supply of positive polarity having a standard voltage, for example, +3.3 V or +5.0 V.

Таким образом, использование устройства контроля состоянием УЗИП позволяет определить его остаточный ресурс и при этом повысить точность устройства за счет аналогового интегрирования входного сигнала.Thus, the use of the device for monitoring the state of the SPD allows you to determine its residual life and at the same time increase the accuracy of the device due to the analog integration of the input signal.

Claims

The resource control device of the surge protection device, consisting of a series-connected current sensor and signal conditioner, as well as an analog-to-digital converter and a central processing unit, configured to determine the charge passed through the surge protection device in time, characterized in that additionally equipped with first and second analog integrators, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the signal conditioner, and the outputs with ervym and second inputs additionally inputted analog adder whose output is connected to the input of analog-to-digital converter.