УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01R27/20 

Изобретение относится к области электрических измерений в электроэнергетике и предназначено для косвенного определения напряжения прикосновения (шага), возникающего в аварийных режимах электроустановок, путем измерения сопротивления прикосновения.

Предшествующий уровень техники.

Устройства для измерения параметров заземления, как правило, выполняются по схеме четырехвыводного омметра переменного тока с токовым выходом и потенциальным входом.

Известно, например, устройство для измерения напряжения прикосновения и сопротивления заземления [1], в котором источник питания через коммутационный блок подключен к токовому выходу устройства. К потенциальному входу подключен блок, измеряющий ток и напряжение. Это устройство позволяет производить измерения в условиях действия помех от посторонних токов, протекающих в земле вблизи действующего электрооборудования. Однако, для отстройки от таких помех в устройстве [1] требуются относительно большие выходные токи и напряжения, что увеличивает потребляемую мощность, массу габаритные размеры устройства, ухудшает условия электробезопасности при выполнении измерений.

Известны устройства для измерения параметров заземления [2, 3], содержащие формирователь сигнала, выход которого подключен к выводам токового выхода устройства, и частотно-избирательную измерительную цепь с синхронным детектором, включенную между выводами потенциального входа устройства и входом индикатора. В устройствах [2, 3] измерения проводятся на частоте, отличной от промышленной частоты 50 Гц, а помеха подавляется за счет частотной избирательности измерительной цепи с синхронным детектором. Эти устройства более помехоустойчивы и требуют меньших выходных токов, однако, их общим недостатком является необходимость жесткой стабилизации выходного тока устройства для получения достоверных значений измеряемых параметров. При этом величина стабилизированного выходного тока должна быть достаточной для того, чтобы пренебречь влиянием посторонних токов в земле на результаты измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству - его прототипом является устройство для измерения параметров заземления [4], содержащее формирователь сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, выход которого через датчик тока подключен к выводам токового выхода устройства, частотно-избирательную измерительную цепь с синхронным детектором, включенную между потенциальным входом устройства и входом индикатора, и цепь управления синхронным детектором. Измерительная цепь устройства [4] снабжена еще одним входом, предназначенным для подключения к удаленному дополнительному электроду, забиваемому вне зоны растекания выходного тока устройства, но в области протекания постороннего тока помехи, действующего на потенциальный электрод. Кроме того, в измерительную цепь включен блок деления, нормирующий показания индикатора при изменении выходного тока.

Такое техническое решение способствует расширению динамического диапазона выходного тока устройства, однако, не обеспечивает достижение этого результата при выполнении измерений вблизи работающего электрооборудования, где посторонние токи в земле, как правило, значительно превышают выходной ток устройства в нижней части расширенного динамического диапазона. Это связано с тем, что компенсация помехи от постороннего тока в измерительной цепи устройства [4] требует идентичности по амплитуде и фазе напряжений помехи на потенциальном и удаленном электродах, что редко выполняется на практике. В результате в устройстве-прототипе динамический диапазон выходного тока ограничен снизу из-за необходимости обеспечивать требуемое для измерения соотношение сигнал/помеха.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, характеризующегося расширенным динамическим диапазоном допустимых выходных токов устройства в условиях действия значительных помех от посторонних токов в земле.

Раскрытие изобретения.

Предметом изобретения является устройство для измерения параметров заземления, содержащее формирователь сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, выход которого через датчик тока подключен к выводам токового выхода устройства, частотно- избирательную измерительную цепь с синхронным детектором, включенную между потенциальным входом устройства и входом индикатора, и цепь управления синхронным детектором, отличающееся, согласно изобретения, тем, что формирователь сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, снабжен синхровходом, который подключен к внешнему выводу устройства, частотно-избирательная измерительная цепь содержит аналого-цифровой преобразователь, включенный на ее выходе, и введен блок формирования опорного напряжения, при этом выход датчика тока соединен с входом цепи управления синхронным детектором и через блок формирования опорного напряжения подключен к опорному входу аналого- цифрового преобразователя.

Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить временную привязку управляющего напряжения синхронного детектора к основной гармонике напряжения помехи в сочетании с автоматической нормировкой результатов измерений при изменении выходного тока и, тем самым, расширить динамический диапазон выходного тока устройства в условиях действия значительных помех от посторонних токов в земле вблизи работающего электрооборудования.

Изобретение имеет развитие, заключающееся в том, что в качестве внешнего вывода, к которому подключен синхровход формирователя сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, использован вывод потенциального входа устройства.

Это позволяет обеспечить решение поставленной задачи при питании устройства от автономного источника.

Другое развитие предлагаемого решение касается внутреннего выполнения цепи управления синхронным детектором, а именно ее выполнения в виде фазосдвигающей цепи с возможностью переключения фазового сдвига на 90^o.

Это позволяет отдельно измерять активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления прикосновения.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства с учетом его развития по п.п. 2 и 3 формулы изобретения и наиболее предпочтительного выполнения частотно-избирательной измерительной цепи; на фиг. 2 - временная диаграмма сигналов, поясняющая работу устройства.

Описание осуществления изобретения.

Устройство (фиг. 1)содержит формирователь 1 сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, выход 2 которого через датчик 3 тока подключен к выводам 4, 5 двухпроводного токового выхода устройства, частотно-избирательную измерительную цепь 6 с синхронным детектором 7, включенную между потенциальным входом 8 устройства и входом индикатора 9, и цепь 10 управления синхронным детектором 7. Формирователь 1 снабжен синхровходом 11, который подключен к внешнему выводу 12 устройства. Внешний вывод 12 может быть в частности одним из выводов двухпроводного потенциального входа 8, как показано на фиг. 1.

Измерительная цепь 6 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, включенный на ее выходе.

В устройство введен блок 14 формирования опорного напряжения, при этом выход 15 датчика 3 тока соединен с входом цепи 10 и через блок 14 подключен к опорному входу 16 АЦП 13.

Цепь 10 управления синхронным детектором 7 может быть выполнена в виде фазосдвигающей цепи с возможностью переключения фазового сдвига на 90^o.

В состав цепи 6 устройства могут входить избирательный усилитель 17 и фильтр 18 нижних частот, как показано на фиг. 1.

На временной диаграмме фиг. 2 приведены:
u₁ - напряжение на выходе 2 формирователя 1;
i₁ - ток выхода 2 формирователя 1, протекающий через датчик 3 тока и выводы 4 и 5;
u₂ - основная гармоника напряжения прикосновения на измерительном входе 19 детектора 7;
u' и u'' - напряжения на управляющем входе 20 синхронного детектора 7 при сдвигах фазы в цепи 10 соответственно 0^o и 90^o;
u_R и u_L - напряжение на выходе 21 синхронного детектора 7 при сдвигах фазы в цепи 10 соответственно 0^o и 90^o; пунктиром показаны постоянные составляющие этих напряжений;
u_C - напряжение сети.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь 1 на выходе 2 вырабатывает напряжение u₁, которое создает во внешней цепи ток i₁. Величина этого тока зависит от сопротивления между токовыми электродами, подключаемым к выводам 4 и 5.

Напряжение на потенциальном входе 8, возникающее от протекания тока i₁ через комплексное сопротивление прикосновения, поступает на избирательный усилитель 17, который выделяет и усиливает основную гармонику u₂ напряжения прикосновения и подает ее на вход 19 синхронного детектора 7.

При проведении измерений вблизи работающей электроустановки на потенциальном входе 8 помимо полезного сигнала от тока i₁ присутствует напряжение помехи от посторонних токов, протекающих в земле из-за утечек через изоляцию электрооборудования или из-за коронирования, зачастую существенно превышающее измеряемую разность потенциалов. Посторонние токи, основная гармоника которых равна сетевой частоте электроустановки, создают дополнительные напряжения между внешними выводами устройства и общей точкой его схемы (обычно это вывод 4). Такое напряжение, поступая на синхровход 11 формирователя 1, например, как показано на фиг. 1, с вывода 12, обеспечивает временную привязку напряжения u₂ к напряжению сети u_C, что существенно увеличивает степень подавления помехи в измерительной цепи устройства.

Частота сигнала u₁ в целое число раз меньше частоты основной гармоники напряжения, поступающего на синхровход 11 формирователя 1.

На управляющий вход 20 синхронного детектора 7 через цепь 10 с переключаемым фазовым сдвигом поступает сигнал от датчика 3 тока. В зависимости от фазового сдвига в цепи 10, устанавливаемого оператором, на вход 20 синхронного детектора 7 поступает либо напряжение u', совпадающее по фазе с током i₁, протекающим через сопротивление прикосновения, либо напряжение u'', сдвинутое на 90^o относительно фазы тока u₁.

На выходе 21 детектора 7 при совпадении указанных фаз формируется напряжение u_R, соответствующее активной составляющей сопротивления прикосновения, а при фазовом сдвиге в 90^o - напряжение u_L, соответствующее реактивной составляющей сопротивления прикосновения.

Фильтр 18 выделяет постоянную составляющую сигнала на выходе 21 детектора 7, которая пропорциональна измеряемому сопротивлению и поступает на измерительный-вход 22 АЦП 13. Постоянные составляющие напряжений u_R и u_L показаны на фиг. 2 пунктиром.

АЦП 13 преобразует напряжение на входе 22 в цифровой код, значение которого зависит от опорного напряжения на входе 16. Опорное напряжение, выделяемое блоком 14 из напряжения на выходе 15 пропорционально току датчика 3, что обеспечивает независимость показаний индикатора 9 от величины тока i₁.

Следует отметить, что в ряде случаев синхровход 11 может быть подключен иначе, чем на фиг. 1. Например, возможно соединение синхровхода 11 с внешним выводом (клеммой), предназначенным для подключения к отдельному перемещаемому электроду, устанавливаемому в зоне действия помехи промышленной частоты. При питании от сети синхровход 11 может быть подключен к внешнему выводу сетевого питания устройства, например, через трансформатор или делитель напряжения.

Однако, показанной на фиг. 1 подключение синхровхода 11 к выводу потенциального входа 8 является наиболее предпочтительным, так как не требует введения дополнительных внешних выводов (клемм) и позволяет решить поставленную задачу при питании от автономного источника.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает временную привязку управляющего напряжения синхронного детектора к основной гармонике напряжения помехи, что в сочетании с автоматической нормировкой результатов измерения при изменении выходного тока расширяет динамический диапазон выходного тока устройства в условиях действия значительных помех от посторонних токов в земле вблизи работающего электрооборудования.

Промышленная применимость.

Изготовленный по схеме фиг. 1 макет был испытан в условиях открытого распределительного устройства работающей подстанции напряжением 220 кВ.

Параметры заземления измерялись при забивании токового электрода в различные точки грунта. Полученные результаты сравнивались с результатами измерений, выполненных при обесточенном электрооборудовании подстанции.

При сопротивлениях цепи токового электрода, меньших 3000 ом, погрешность измерения не превышала 5%, а при увеличении сопротивления той же цепи до 7000 ом погрешность составила 10%.

Источники информации.

1. Авт. св. СССР. 1026064, МПК G 01 R 27/20, 1981.

2. Авт. св. СССР. 826844, МПК G 01 R 27/20, 1978.

3. Авт. св. СССР. 1023253, МПК G 01 R 27/20, 1981.

4. Авт. св. СССР. 828119, МПК G 01 R 27/20, 1979.

Изобретение относится к области электрических измерений в электроэнергетике и предназначено для косвенного определения напряжения прикосновения (шага), возникающего в аварийных режимах электроустановок.

Устройство содержит формирователь сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, частотно-избирательную измерительную цепь с синхронным детектором и аналого-цифровым преобразователем (АЦП), включенную между потенциальным входом устройства и цифровым индикатором. Выход формирователя сигнала подключен к токовому выходу устройства через датчик тока. К выходу датчика тока через блок формирования опорного напряжения подключен опорный вход АЦП, а через фазосдвигающую цепь - управляющий вход синхронного детектора. Формирователь сигнала снабжен синхровходом, который подключен к внешнему выводу устройства, например, к выводу потенциального входа. При этом присутствующая на внешнем выводе устройства помеха от посторонних токов сетевой частоты синхронизирует формирователь сигнала.

Такое решение позволяет расширить допустимый динамический диапазон выходного тока устройства в условиях действия значительных помех от посторонних токов в земле вблизи электрооборудования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения параметров заземления, содержащее формирователь сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, выход которого через датчик тока подключен к выводам токового выхода устройства, частотно-избирательную измерительную цепь с синхронным детектором, включенную между потенциальным входом устройства и входом индикатора, и цепь управления синхронным детектором, отличающееся тем, что формирователь сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, снабжен синхровходом, который подключен к внешнему выводу устройства, частотно-избирательная измерительная цепь содержит аналого-цифровой преобразователь, включенный на ее выходе, и введен блок формирования опорного напряжения, при этом выход датчика тока соединен с входом цепи управления синхронным детектором и через блок формирования опорного напряжения подключен к опорному входу аналого-цифрового преобразователя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве внешнего вывода, к которому подключен синхровход формирователя сигнала с частотой, меньшей частоты основной гармоники сети, использован вывод потенциального входа устройства. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления синхронным детектором выполнена в виде фазосдвигающей цепи с возможностью переключения фазового сдвига на 90^o.