RU208084U1 - Измерительный датчик - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может использоваться для измерения постоянного тока, в том числе в системах контроля изоляции.Технический результат заключается в улучшении подавления основной частоты входного сигнала, за счет чего улучшается качество второй гармоники.Датчик тока утечки, содержащий два магнитопровода с обмотками на них, на каждом из упомянутых магнитопроводов устанавливается по три катушки, одна из которых является входной, две другие выходными, причем выходные катушки объединяются в пары, катушки в парах расположены на разных магнитопроводах, одна пара катушек включается встречно, вторая пара катушек включается согласно, а пары катушек включаются встречно, образуя выходную обмотку, в центре каждого из магнитопроводов имеется сквозной проем, магнитопроводы расположены на одной оси так, что их сквозные проемы совпадают, и размещены в общем корпусе, выполненном из немагнитного материала, который имеет сквозной проем, вписанный внутрь проемов двух магнитопроводов, причем на каждом из упомянутых магнитопроводов установлено по одной дополнительной катушке, выходы дополнительных катушек включаются последовательно и согласно между собой, и нагружены на последовательный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности и емкости, резонансная частота колебательного контура равна частоте измеряемой трехфазной сети. При этом на каждом из упомянутых магнитопроводов установлено по одной компенсационной катушке, выходы компенсационных катушек включаются последовательно и согласно между собой и нагружены на последовательный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности и емкости, резонансная частота колебательного контура равна частоте сигнала, подаваемого на входные катушки. 9 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электроизмерительной технике, и может использоваться для измерения постоянного тока, в том числе в системах контроля изоляции.

Уровень техники. Известен способ измерения и контроля сопротивления изоляции изолированных от земли (корпуса) силовых электрических сетей переменного тока под рабочим напряжением и устройство для его реализации [патент РФ на изобретение №2377581], содержащее источник стабилизированного постоянного напряжения, первый резисторный датчик тока, одним выводом соединенный с общим проводом, первый добавочный резистор, соединенный с первой контролируемой силовой сетью, а вторым выводом соединен со вторым выводом первого резисторного датчика тока и с первым конденсатором фильтра, блок питания, первое устройство сигнализации с первым и вторым светодиодами, блок индикации с переключателем, отличающееся тем, что первый добавочный резистор выбран в k-раз большим по величине, чем величина первого резисторного датчика тока, а источник стабилизированного постоянного напряжения включен между общим проводом и корпусом (землей), кроме того в устройство введены n-й добавочный резистор, соединенный одним выводом с n-й контролируемой электрической сетью, а вторым выводом соединен с первым выводом n-го резисторного датчика тока, а n-й резисторный датчик тока вторым выводом соединен с общим проводом, кроме того n-й резисторный датчик тока первым выводом соединен с n-м конденсатором фильтра, а n-й добавочный резистор по величине k-раз выбран больше, чем величина n-го резисторного датчика тока, кроме того в устройство введено n-ое устройство сигнализации с первым n-м и вторым n-м светодиодами, причем все светодиоды катодами соединены с общим проводом, также в устройство введен блок внешней световой и звуковой сигнализации с обобщенным светодиодом на выходе и с замыкающими контактами звуковой и световой сигнализацией, причем блок внешней сигнализации световой и звуковой сигнализации соединен непосредственно с выходом каждого устройства сигнализации.

К недостатку такого решения можно отнести невозможность контроля сопротивления изоляции для отдельных участков гальванически связанной электрической сети.

Также известно устройство измерения тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя [патент РФ на изобретение №2642127], содержащее блок индикации и два датчика напряженности внешнего магнитного поля, размещенных на токоподводящем и токоотводящем проводах, подключающих нагрузку к однофазному мостовому выпрямителю, причем выходы чувствительных элементов датчиков напряженности подсоединены соответственно к первому и второму входам устройства сравнения через соответствующие усилители и узкополосные фильтры, отличающееся тем, что в состав устройства дополнительно введены пороговое устройство и задатчик уровня напряжений, причем выход устройства сравнения связан с первым входом порогового устройства, второй и третий входы которого связаны с соответствующими выходами задатчика уровня напряжений, а выход порогового устройства подключен ко входу блока индикации, на котором высвечивается значение тока утечки.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие узкополосных фильтров, что усложняет его конструкцию, а также низкую чувствительность датчиков напряженности, что ограничивает область измеряемых токов, также отсутствует возможность измерения в силовых сетях трехфазного тока.

Также известен улучшенный датчик тока утечки [патент РФ на полезную модель №206047], содержащий два магнитопровода с обмотками на них, на каждом из упомянутых магнитопроводов устанавливается по три катушки, одна из которых является входной, две другие выходными, причем выходные катушки объединяются в пары, катушки в парах расположены на разных магнитопроводах, одна пара катушек включается встречно, вторая пара катушек включается согласно, а пары катушек включаются встречно, образуя выходную обмотку, в центре каждого из магнитопроводов имеется сквозной проем, магнитопроводы расположены на одной оси, так что их сквозные проемы совпадают, и размещены в общем корпусе, выполненном из немагнитного материала, который имеет сквозной проем, вписанный внутрь проемов двух магнитопроводов, на каждом из магнитопроводов установлено по одной дополнительной обмотке, выходы дополнительных обмоток включаются последовательно и согласно между собой, и нагружены на последовательный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности и емкости, резонансная частота колебательного контура равна частоте измеряемой трехфазной сети.

К недостаткам такого решения можно отнести компенсацию частоты первой гармоники входного сигнала только при помощи схемы соединения вторичных (выходных) катушек, что требует определенной пропорции числа их витков, изменяющейся на диапазоне измеряемых токов утечки - таким образом, возможно появление на выходе датчика первой гармоники входного сигнала, что ухудшает точность измерения.

Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.

Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные системы контроля изоляции. Они выполняют важную функцию - контроль изоляции, а значит и исправности, электрических сетей и нагрузки. Известно, что сопротивление изоляции - основной параметр, являющийся показателем состояния электрооборудования и кабельных трасс. Для всех электрических сетей есть нормы сопротивления изоляции, нарушать которые не допускается из-за опасности аварийных ситуаций. Все это касается в первую очередь сетей с изолированной от земли нейтралью - например, в судостроении.

Кроме измерений сопротивления изоляции, выполняемых при приеме питания, и выполняемых переносными мегомметрами, осуществляется также непрерывный контроль сопротивления изоляции в процессе эксплуатации, под напряжением. Для этого серийно выпускаются системы контроля под напряжением, суть принципа работы которых заключается в приложении постоянного измерительного напряжения к контролируемому участку сети. Далее, измеряется уровень тока утечки контролируемой сети при помощи, например шунта или балластного сопротивления, включенного в цепь для протекания тока. Падение напряжение на балластном сопротивлении будет пропорционально току утечки и сопротивлению изоляции сети.

Однако все подобные методы, в том числе и в одном из приведенных в материалах заявки прототипов, обеспечиваются измерение гальванически связанного участка сети целиком, не выделяя отдельные потребители.

Количество источников измерительного напряжения должно быть равно количеству гальванически независимых участков сети, либо должен быть коммутатор, обеспечивающий поочередное их прикладывание к разным участкам сети. В случае, если любой из потребителей (фидеров), питаемый от шин главного распределительного щита, оказывается в аварийном состоянии с пониженным сопротивлением изоляции, происходит снижение показаний изоляции во всем гальванически связанном участке. В таком случае персонал должен производить дальнейший поиск места повреждения отключая один за другим фидеры, питающие потребители или участки сети.

Однако, при использовании предлагаемого датчика тока утечки, можно измерять сопротивление изоляции непосредственно на потребителях и/или гальванически связанных участках сети, без их отключения.

На фигуре 1 показан простейший и известный [1] феррозондовый датчик тока утечки. В нем на общем магнитопроводе из ферромагнитного материала расположены три обмотки, одна из которых (вверху на фиг.1) является входной и получает питание напряжением повышенной частоты, а две другие включаются встречно относительно друг друга (т.е. их полярность взаимно-обратная и бифилярна друг к другу). Это приводит к тому, что частота входного сигнала взаимно-компенсируется в них, а при пропускании через проем внутри магнитопровода проводника с постоянным током идет намагничивание ферромагнитного материала и искажение петли гистерезиса, что ведет к появлению 2 гармоники сигнала, пропорциональной току утечки через него. Однако, для такой конструкции характерен недостаток - обмотки, включенные встречно, будут компенсировать и 2 гармонику сигнала, так как они располагаются на общем магнитопроводе и их возбуждает один поток. Кроме того, в реальных измерениях сопротивления изоляции требуется контролировать трехфазные сети, с наложением переменного трехфазного тока на постоянный ток утечки.

Для этого предлагается использовать конструкцию, представленную на фигуре 2. Датчик тока утечки выполняется в корпусе, имеющем внутреннюю полости, через которую пропускаются три фазы питающей сети. Сумма токов в симметричной трехфазной сети равна нулю [1], и не участвует в создании намагниченности магнитопровода. На рисунке условно показан путь для тока утечки через проем датчика и на условное место повреждения изоляции на стороне потребителя. Именно этот ток и будет вызывать намагниченность магнитопровода датчика, что дает появление 2 гармоники на выходе [1].

На фигуре 3 показан главный распределительный щит, через который подается питание к потребителям, а также условно показан путь протекания токов утечки к потребителям (пунктиром).

Датчики тока утечки устанавливаются на подключениях, уходящих к потребителям электроэнергии, что позволяет измерить ток утечки отдельно по потребителям - и сразу отображать как их уровень изоляции, так и искать место повреждения, не отключая потребители от питающей сети.

Для этого необходимо выполнить магнитопровод датчика ток утечки сдвоенным, с двумя ферромагнитными магнитопроводами, с обмотками на каждом из них. В таком случае появляется возможность избежать взаимной компенсации 2 гармоники, и увеличить ее уровень относительно известного из уровня техники феррозондового датчика, показанного на фигуре 1.

Чтобы исключить влияние не симметрии питающей трехфазной сети, используются две пары вторичных (выходных) катушек, как это показано на фигуре 4. В таком случае, пары катушек реализуют удаление разных частот: первая пара катушек, включенных встречно, компенсирует частоту токов питающей трехфазной сети; вторая пара компенсирует частоту напряжения первичных (входных) катушек, то есть 1 гармоники. Поскольку, как это показано на фигуре 5, входные катушки на двух магнитопроводах включаются встречно, и включение пары выходных катушек согласно дает компенсацию 1 гармоники, поскольку катушки в парах берутся с разных магнитопроводов, и магнитные потоки в них противоположны.

Для питающей трехфазной сети, фазы которой проходят через оба магнитопровода, и намагничивают их одинаково, включение пары выходных катушек встречно дает компенсацию влияния токов питающей сети, устраняя влияние не симметрий на выходной сигнал датчика, в том числе модуляцию по амплитуде его выходного напряжения.

Таким образом, в парах выходных катушек формируется 2 напряжения - модулированное токами питающей сети напряжение 2 гармоники в одной паре катушек, и компенсированное от влияния токов питающей сети в другой паре катушек. Далее, как это показано на фигуре 5, пары катушек включают встречно для вычитания напряжений друг из друга. При этом происходит снижение модуляции выходного напряжения.

Компенсация модуляции реализуется для обеих частот - 1 гармоники и частоты питающей сети. Поскольку пары катушек включаются встречно, это дает взаимное вычитание 1 гармоники входного сигнала датчика тока утечки и частоты питающей трехфазной сети, в которой осуществляется измерение уровня изоляции. Амплитудная модуляция напряжения одной пары катушек вычитается из амплитудной модуляции другой пары катушек, устраняя обе составляющие выходного сигнала - и по 1 гармонике входного сигнала, и по частоте питающей сети. Это позволило выделить 2 гармонику напряжения входной обмотки (входного сигнала датчика) на выходе, что облегчает как сами измерения (снижается количество фильтров и их крутизна среза), также может быть повышена и сама точность измерений и чувствительность. На фигуре 6 и фигуре 7 показана форма выходного напряжения при разных значениях постоянного тока утечки, видно, что уровень 2 гармоники зависит от намагниченности магнитопроводов током утечки.

На фигуре 8 показана принципиальная схема основного прототипа, где очевидно наличие по одной дополнительной обмотке на каждом из двух магнитопроводов. Указанные обмотки соединены последовательно согласно, а их выход подключен к колебательному (резонансному) контуру, частота резонанса напряжений которого определяется значениями индуктивности и емкости [1], причем на частоте резонанса такой контур представляет собой замыкание в цепи. Таким образом, при возникновении не симметрии токов в измеряемой трехфазной цепи, то намагничивание магнитопроводов при этом будет подавляться потоком самоиндукции [1] от токов короткого замыкания в дополнительных обмотках, нагруженных на резонансную цепь. В основном прототипе в случае значительных несимметрий насыщение магнитопроводов (особенно при высокой относительной магнитной проницаемости) могло вызвать большую погрешность, свыше допустимых пределов (поскольку насыщенный магнитопровод уже не участвует в работе магнитной цепи [1]). Так как оба магнитопровода намагничиваются измеряемой трехфазной сетью одинаково, полярность включения дополнительных обмоток - согласная.

На фигуре 9 показана принципиальная схема предлагаемого решения, где очевидно, что кроме двух дополнительных катушек и последовательного колебательного контура, подключенного к ним, в конструкцию введены еще две компенсационные катушки (относительно фиг.8), также подключенные к последовательному колебательному контуру, настроенному на резонансную частоту, равную основной гармонике входного сигнала датчика. При работе, будет происходить вытеснение магнитного потока основной частоты.

Таким образом, конструктивно обеспечивается улучшенное подавление основной частоты входного сигнала, улучшая качество второй гармоники.

Предлагаемое техническое решение является новым и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:

- на каждом из магнитопроводов установлено по компенсационной катушке;

- выходы компенсационных катушек включаются последовательно и согласно между собой;

- выходы компенсационных катушек нагружены на колебательный контур с индуктивностью и емкостью;

- резонансная частота контура равна частоте сигнала, подаваемого на входные катушки.

Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - улучшению качества выходного сигнала датчика.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен простейший феррозондовый датчик. На фигуре 2 изображено предлагаемый датчик тока утечки в месте установки на трехфазных шинах. На фигуре 3 изображен главный распределительный щит с датчиками тока утечки. На фигуре 4 изображены пары вторичных катушек основного прототипа. На фигуре 5 изображена схема включения катушек основного прототипа. На фигуре 6 изображено выходное напряжение основного прототипа при токе утечки 1 А. На фигуре 7 изображено выходное напряжение основного прототипа при значении тока утечки 0.1 А. На фигуре 8 изображена принципиальная схема основного прототипа. На фигуре 9 изображена принципиальная схема предлагаемого решения.

Список использованной литературы.

1. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники: учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 1982, 407 с.

Claims (1)

1. Датчик тока утечки, содержащий два магнитопровода с обмотками на них, на каждом из упомянутых магнитопроводов устанавливается по три катушки, одна из которых является входной, две другие выходными, причем выходные катушки объединяются в пары, катушки в парах расположены на разных магнитопроводах, одна пара катушек включается встречно, вторая пара катушек включается согласно, а пары катушек включаются встречно, образуя выходную обмотку, в центре каждого из магнитопроводов имеется сквозной проем, магнитопроводы расположены на одной оси так, что их сквозные проемы совпадают и размещены в общем корпусе, выполненном из немагнитного материала, который имеет сквозной проем, вписанный внутрь проемов двух магнитопроводов, причем на каждом из упомянутых магнитопроводов установлено по одной дополнительной катушке, выходы дополнительных катушек включаются последовательно и согласно между собой и нагружены на последовательный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности и емкости, резонансная частота колебательного контура равна частоте измеряемой трехфазной сети, отличающийся тем, что также на каждом из упомянутых магнитопроводов установлено по одной компенсационной катушке, выходы компенсационных катушек включаются последовательно и согласно между собой и нагружены на последовательный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности и емкости, резонансная частота колебательного контура равна частоте сигнала, подаваемого на входные катушки.

Images