ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПРОВОДНИКЕ И ИНДИКАТОРНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ ДАТЧИК Российский патент 2012 года по МПК G01R19/252 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится:

- к датчику для измерения по существу в режиме реального времени величины электрического переменного тока в проводнике, содержащему детектор тока с трансформатором тока, предназначенным для монтажа смежно с проводником,

- и к электрической схеме датчика, содержащей передатчик выходного неэлектрического волнового сигнала.

Настоящее изобретение также относится к индикаторной системе, содержащей такой датчик и предназначенной для обработки неэлектрического волнового сигнала в контрольно-измерительных устройствах, например, для индикации коротких замыканий.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Датчики тока известны и широко применяются, например, в системах индикации, отображающих параметры электрических процессов в проводнике на основе сигналов этих датчиков, например, мгновенные и средние значения тока, значения мощности, наличие коротких замыканий, неисправности в линии, срабатывания релейной защиты и т.п. Для обеспечения надежного и точного измерения тока необходима обратная связь в реальном времени. Известны датчики тока для электрических систем постоянного и переменного тока. В настоящей заявке рассматриваются датчики только для систем переменного тока.

Короткое замыкание представляет собой пример состояния электрических процессов, подлежащих отображению. Система индикации, обсуждаемая ниже, предназначена для отображения коротких замыканий. Однако в соответствии с настоящим изобретением заявляемый датчик может применяться для отслеживания широкого диапазона состояний проводников или условий, связанных с этими состояниями, а заявляемая система индикации, содержащая такой датчик тока, может быть использована для отображения ряда электрических состояний на основе этих данных. Таким образом, система индикации, предназначенная для обнаружения короткого замыкания, должна рассматриваться не как ограничение настоящего изобретения, а как его иллюстрация.

Когда короткие замыкания происходят во время эксплуатации линий электропередачи переменного тока, таких, например, как распределительные и питающие линии высокого и среднего напряжения или линии железнодорожной сети, важно определить местонахождение коротких замыканий и устранить их как можно быстрее. Для этого на рынке имеются индикаторы короткого замыкания.

Обычно известные индикаторы короткого замыкания с датчиком тока для распределительных линий переменного тока используют для удаленной или локальной индикации возникновения в них коротких замыканий, чтобы сократить время локализации короткого замыкания и ремонтных работ, а также связанных с ними расходов. В частности, при измерении напряжения в высоковольтных линиях переменного тока проблема состоит в определении наличия короткого замыкания, например, измерением тока или, правильнее, тока короткого замыкания, без гальванического присоединения к электрической линии электропередачи переменного тока, что потребовало бы больших расходов по причине высоких требований к изоляции между проводником и землей; например, может использоваться удаленно расположенный индикаторный блок.

Ток короткого замыкания, наблюдаемый в линиях электропередачи переменного тока, часто на несколько порядков выше нормального эксплуатационного тока, в зависимости от импеданса проводника и расстояния между датчиком и местом короткого замыкания в проводнике. Величина измеряемого тока, при которой индикаторы настроены показывать короткое замыкание, то есть пороговое значение тока короткого замыкания, может быть регулируемым, потому что уставка порога зависит от условий в точке применения, например, от поперечного сечения кабеля и меняющейся нагрузки.

Некоторые имеющиеся типы индикаторов короткого замыкания для систем переменного тока содержат один датчик для каждой отслеживаемой фазы или проводника, и могут быть поделены на два типа.

Первый тип предусматривает собой индикатор короткого замыкания, смежный с датчиком, то есть интегрированный с датчиком, который устанавливают на отслеживаемый проводник в виде блока датчика-индикатора. Такой датчик предпочтителен при отслеживании, например, воздушных линий электропередачи, которые хорошо видны с земли, и индикатор указывает, например, механическим способом или ярким светом, или, как вариант, излучает радиочастотный сигнал в момент регистрации короткого замыкания. Например, такие блоки датчика-индикатора описаны в патенте № US 5748095 и могут применяться для локальной сигнализации о коротком замыкании в воздушной линии мигающим светом или красной точкой на отслеживаемой линии, в то время как при нормальном токе индикатор погашен или светится зеленая точка.

Второй тип предусматривает индикаторный блок, удаленный от блока датчиков, например, по одному на каждую из трех отслеживаемых фаз. Датчики этого типа рекомендуется применять для отслеживания, например, подземных кабелей, которые обычно не видны, а индикаторный блок размещают таким образом, чтобы обеспечить простое его обслуживание. Пример такой системы индикации коротких замыканий описан в документе № ЕР 0463860. Здесь индикация также производится, когда блок датчика регистрирует неисправность или короткое замыкание.

Традиционный датчик тока для обоих типов индикатора содержит трансформатор тока, открытого или замкового типа, в форме ярма из магнитного материала, охватывающего один проводник или линию, которая образует первичную обмотку из единственного витка в этом трансформаторе. Вторичная обмотка намотана вокруг магнитного материала, например, в количестве нескольких витков, для питания блока датчика измеряемым током. Трансформаторы такого типа допускают установку на кабелях мощных систем электроснабжения без отсоединения кабелей системы от источника или нагрузки.

В целом, имеющиеся индикаторы первого типа с датчиком тока подходят для линий электропередачи переменного тока всех напряжений, тогда как имеющиеся индикаторы второго типа подходят для линий переменного тока, напряжение в которых предъявляет высокие требования к изоляции между датчиком и землей в индикаторном блоке.

Однако электрические компании во многих случаях сталкиваются с короткими замыканиями в сетях среднего напряжения, то есть 1-40 кВ при больших, средних и малых токах, и низкого, то есть 110-480 В, напряжения. Даже если короткие замыкания наблюдаются редко, тем не менее на некоторые электрические компании налагают штрафы, когда в их распределительной сети происходят отключения, и это побуждает такие компании увеличивать периоды бесперебойной работы на всех участках энергосистемы. Индикация коротких замыканий также необходима и в смежных областях среднего и низкого напряжений, например в железнодорожной сети переменного тока с напряжением приблизительно 1 кВ, и в линиях электропередачи с напряжением порядка 400 В.

Соответственно, существует потребность в автоматизированных дистанционных индикаторах для распределительных кабелей переменного тока высокого, среднего и низкого напряжений, способных работать при широком диапазоне значений тока в проводнике.

Например, в распределительной сети, в частности, в подсетях среднего и низкого напряжения, имеется ряд распределительных узлов или станций, которые обеспечивают подключение различных групп потребителей электроэнергии. Большинство токонесущих линий в настоящее время представляют собой подземные кабели; лишь на некоторых территориях распределение электроэнергии производят посредством воздушных линий, преимущественно в сельской местности. При возникновении неисправностей или нештатных состояний, таких как короткие замыкания, в энергосистеме необходимо быстрым и надежным способом определить местонахождение неисправности и устранить ее, и при этом важно отличать временные броски тока от длительных характерных состояний электрических процессов, например коротких замыканий.

Преимущество дистанционного отслеживания, например, коротких замыканий во многих линиях переменного тока среднего и низкого напряжения состоит в том, что можно легко и быстро идентифицировать проблематичные линии для определения местоположения и объема инвестиций в улучшение инфраструктуры энергосистемы, в обслуживание старого и/или вышедшего из строя оборудования и в его замену. Это значительно сокращает расходы электрических компаний, связанные с обслуживанием и планированием.

В вышеупомянутом документе № ЕР 0463860 раскрыт индикатор для нахождения неисправности с анализатором, который сообщает о токе неисправности в отслеживаемом проводнике удаленному индикатору с использованием электрически изолированной сигнальной линии между ними. Анализатор содержит датчик тока, подключенный к проводнику под нагрузкой, причем анализатор обнаруживает наличие неисправности или нарушение нормальной работы в отслеживаемом проводнике и сообщает об этом индикаторному блоку. Когда анализатор обнаруживает неисправность с заданной величиной тока, он передает оптический импульс в индикатор через линию связи, то есть оптоволоконный кабель, в котором световой импульс после приема преобразовывают в электрический импульс, вынуждающий индикатор указывать состояние "неисправности". Использование электрически изолированного оптоволоконного кабеля обеспечивает гальваническую развязку между линией электропередачи и индикатором и также уменьшает влияние электрических помех на переданный сигнал.

Однако быстродействие этого известного анализатора может оказаться недостаточным, чтобы обнаружить, распознать и передать все случаи коротких замыканий за имеющееся в запасе время, прежде чем ток в линии достигнет нуля. При возникновении короткого замыкания рядом с индикатором уменьшается продолжительность короткого замыкания и увеличивается максимальное значение тока, поскольку эти два фактора зависят как от расстояния между индикатором и местоположением короткого замыкания в проводнике, так и от штатного тока в линиях электропередачи. Кроме того, такой анализатор может не быть достаточно точен, чтобы отличать кратковременные броски тока от настоящих коротких замыканий, которые приводят к сгоранию плавких предохранителей.

Таким образом, преобладающее техническое предубеждение состоит в том, что независимые датчики тока в вышеупомянутых системах индикации двух известных типов для линий электропередачи высокого напряжения имеют слишком низкое быстродействие для отображения близких коротких замыканий, особенно на линиях среднего и низкого напряжения. Например, в железнодорожной электросети с напряжением 1 кВ период времени срабатывания защиты от короткого замыкания уменьшен до 5 мс для близко расположенного короткого замыкания. Соответственно, запас времени для надежного срабатывания датчика тока, чувствительного к короткому замыканию, примерно равен или меньше 5 мс. Этот равно четверти периода в сети 50 Гц, тогда как для срабатывания существующих индикаторов короткого замыкания переменного тока требуется интервал измерения не менее одного периода.

В документе № WO 2004/099798 раскрыто устройство измерения тока, система, содержащая такое устройство, и компенсационный способ калибровки такой системы, причем устройство содержит оптоволоконный датчик тока на основе эффекта Фарадея для измерения тока в линиях электропередачи среднего напряжения. Датчик содержит магнитооптический материал, ориентированный в поперечном направлении к направлению тока в линии электропередачи и таким способом измеряет влияние тока на эффект Фарадея, согласно которому плоскость поляризации отраженного света поворачивается под действием приложенного магнитного поля. Датчики подключены к измерительным модулям посредством оптических волокон, проводящих поляризованный свет.

Как говорится в указанном документе, недостаток этих датчиков на основе эффекта Фарадея состоит в том, что на измерение поляризации светового сигнала влияют оптические шумы в измерительном тракте, электрические шумы в источнике света, помехи от магнитных полей соседних индукторов и систем, особенности установки и монтажа датчика, форма и диаметр проводника, производственный разброс параметров датчика, температурные эффекты в источнике света и детекторе, изменение параметров источника света и детектора с течением времени. Таким образом, необходима калибровка как до начала измерений, так и во время эксплуатации, что увеличивает расходы на обслуживание самого датчика и индикаторных блоков. Имея в виду, что требуется большое количество устройств для создания сети, отслеживающей энергосистему, это увеличивает общую стоимость описанной системы.

В документе № US 6,566,855 описано устройство или датчик, измеряющий величину тока в проводнике, соединенном с электрическим устройством. Указанное устройство генерирует электрический выходной сигнал, содержащий последовательности импульсов, причем частота этих последовательностей импульсов отвечает величине измеренного тока. Устройство применяют для измерения переменного тока при низковольтных нагрузках различных типов, таких как насосы, компрессоры, нагреватели, конвейеры и подобные. Однако такое устройство непригодно для отслеживания проводников высокого или даже среднего напряжения, потому что устройство требует достаточно хорошей электрической изоляции между проводником и землей.

Причина в том, что в этом устройстве использована низковольтная оптическая развязка, и данное устройство может быть приспособлено к работе с более высоким напряжением только при высоких затратах. Кроме того, частотный сигнал передают из устройства в цифровой контроллер по электрическим проводам. Соответственно, для использования данного устройства в проводниках переменного тока высокого и среднего напряжения потребовалось бы применение дорогой электрической изоляции между устройством и проводником или между индикатором и землей. Кроме того, описанный датчик также имеет слишком низкое быстродействие, чтобы измерять значения тока в реальном времени, поскольку он показывает среднее значение тока на относительно длительном интервале выборки, то есть больше одного периода тока, как может быть видно на приведенной в указанном документе диаграмме.

Соответственно, задача настоящего изобретения - предоставить недорогой датчик переменного тока, пригодный для применения в системе индикации, например, коротких замыканий, и соответствующую систему индикации, которая обеспечивает быстрое определение параметров электрических процессов в проводниках энергосистем переменного тока, и при этом, в частности, легко может быть налажена для измерения широкого диапазона величин тока в проводниках распределительных энергосистем низкого, среднего и высокого напряжения, например, для обнаружения коротких замыканий. Кроме того, задача настоящего изобретения - добиться, чтобы датчик тока, а следовательно, и система индикации, была в состоянии обеспечить надежное обнаружение таких состояний электрических процессов, как, например, короткие замыкания, в пределах коротких интервалов времени, например короче 5 мс.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эта задача решается заявляемым датчиком тока согласно отличительной части п.1 формулы и системой индикации согласно п.23, содержащей такой датчик.

Соответственно, в первом варианте настоящего изобретения создан прибор для измерения по существу в реальном времени величины переменного тока в проводнике и для генерирования выходного неэлектрического волнового сигнала, причем упомянутый неэлектрический волновой сигнал содержит последовательности импульсов с частотой, пропорциональной измеренной величине тока, при этом прибор содержит:

- детектор тока с индуктивным трансформатором тока, предназначенным для установки смежно с проводником, причем указанный детектор тока обеспечивает электроэнергию для питания прибора;

- цепь датчика с контуром индикации величины тока, содержащим преобразователь тока в частоту, предназначенный для генерации указанного неэлектрического волнового сигнала по существу как импульсного сигнала величины тока в реальном времени, с частотой следования импульсов, пропорциональной величине тока в проводнике, когда эта величина лежит в пределах заданного диапазона (I₁-I₂);

- в составе цепи датчика передатчик указанного неэлектрического волнового сигнала в качестве выхода.

Неэлектрический волновой сигнал представляет собой предпочтительно оптический сигнал от светодиода; и при условии, что имеет место генерация импульсного сигнала во время работы в штатном режиме при измерении тока по существу в реальном времени, а не единственного сигнала ошибки при других состояниях электрических процессов, например при коротком замыкании, для такого датчика открывается широкий диапазон возможных применений.

Кроме того, заявляемый датчик имеет низкую стоимость. Компоненты преобразователя тока в частоту известны, просты в реализации и часто содержат генераторную схему, например, с одним и более усилителем. В настоящем изобретении в цепи индикации тока использовано ограниченное число потребляющих мощность компонентов, что уменьшает общее потребление этим прибором тока, который снимается с измеряемого проводника.

Это - существенное преимущество, поскольку в таком случае можно получить очень малую величину нижней границы I₁ измеряемого тока, и, соответственно, датчик может измерять очень малые значения тока в штатном режиме работы проводника. Желательно назначать ток I₁ в зависимости от минимального тока питания датчика, необходимого для передачи неэлектрического волнового сигнала, то есть значение тока, обеспечивающее минимальный ток питания прибора, что может быть достигнуто согласованием выхода токового трансформатора и цепями прибора, в зависимости от его предполагаемого применения.

Кроме того, стоимость производства каждого отдельного датчика тока низка по сравнению с производством существующих датчиков, детекторов и индикаторов. Это дает особые преимущества при использовании множества датчиков тока, например при отслеживании линий распределительной сети, что уменьшает стоимость монтажных работ.

Кроме того, затраты на монтаж ниже чем, например, для датчиков Фарадея, поскольку отпадает необходимость в первоначальной или последующих калибровках измерительной части прибора, поскольку компоненты предложенного датчика менее чувствительны к влиянию окружающей среды, например температуры, электрических и магнитных полей и влажности.

Также ниже и затраты на обслуживание, поскольку обслуживающий персонал может просто заменять поврежденный или неисправный датчик тока, причем датчик предпочтительно изготавливать в виде моноблока, не требующего ремонта и легко заменимого. Это дает преимущество при использовании на линиях среднего и низкого напряжения, поскольку эти сети требуют большого количества блоков датчика в узлах для охвата отслеживаемой электросети.

Специалист в данной области техники может соответствующим образом обеспечить частотный диапазон, отвечающий некоторому заданному диапазону токов, то есть указанный датчик имеет, по существу, свободно выбираемые диапазоны рабочих характеристик за счет подбора соответствующих компонентов преобразователя тока в частоту, то есть датчики могут применяться для измерения различных диапазонов тока, как многодиапазонные датчики, от широко- до узкодиапазонных, при возможности гибкого выбора границ диапазона токов. Это позволяет создавать различные датчики тока в рамках настоящего изобретения, например, один датчик может быть предназначен для измерения тока в заданном среднем диапазоне токов 10-160 А, другой датчик может быть предназначен для заданного широкого диапазона токов 2-500 А, а третий для малых значений тока в проводнике, например, для узкого диапазона 2-20 А.

Например, заданный диапазон тока может быть 40-160 А или 20-200 А или 10-40 А, причем каждый диапазон может быть обеспечен соответствующим подбором параметров трансформатора тока, таких как число витков и добротность обмоток, диаметр витков и качество сердечника, и с подбором на этой основе компонентов цепи датчика, в результате чего данный датчик может быть согласован по току с измеряемым проводником. Таким образом, получаемый диапазон тока также зависит от чувствительности детектора тока, например от того, выполнены ли трансформаторы тока из железа с высокой, средней или низкой магнитной проницаемостью. Произведенные заявителем испытания показали, что при использовании трансформатора тока с обычным сердечником низкой проницаемости, одним и тем же датчиком тока можно проводить измерения в линии среднего напряжения в диапазоне 10-160 А. При использовании сердечника высокой проницаемости, как показали испытания, может быть получен рабочий диапазон датчика 2-500 А.

Автономному датчику, то есть получающему энергию для работы и измерений, по существу, из самой измеряемой линии, не требуется внешний источник питания. Это дает преимущества, в частности, при использовании датчика на линиях высокого напряжения из-за высоких требований к электрической изоляции, необходимой, чтобы исключить риск пробоя на землю в цепи из датчика и удаленно расположенного аналитического блока.

Настоящее изобретение, даже при штатном токе в проводнике ниже заданного измеряемого диапазона токов, обеспечивает обнаружение тока короткого замыкания, поскольку величины токов короткого замыкания, подлежащие обнаружению, могут быть в несколько раз больше величин штатного тока в линии. Соответственно, заявляемый датчик тока также подходит для измерения тока короткого замыкания, который намного выше штатного тока, при условии, что ток короткого замыкания входит в заданный измеряемый диапазон I₁-I₂ или превышает его хотя бы в течение интервала измерения, например 5 мс. Соответственно, можно отслеживать низкий, вплоть до нуля, штатный ток линии, даже если величина тока не достигает значений, при которых датчик выдает частотный сигнал. Следовательно, желателен сигнал присутствия датчика и его исправности для подтверждения того, что датчик исправен и работает, даже если от него не поступает импульсный сигнал тока.

Испытания показали, что заявляемый датчик уверенно определяет ток короткого замыкания и при штатных токах в линии, близких к нулю.

В ходе работ над изобретением было установлено, что известные датчики тока первого типа оснащены очень медленными цепями срабатывания датчика, поэтому в случае поступления тока меньше штатного, т.е. в случае когда состояние короткого замыкания возникло, но уже устранилось, в датчике в нужный момент времени будет отсутствовать возбуждающий ток, т.е. в момент, когда необходимо питание. В результате, они выдавали сигнал ошибки при возникновении короткого замыкания.

Приборы второго типа работают очень медленно, потому что они производят измерения на интервалах времени в один период и более.

Однако, согласно настоящему изобретению, сочетанием сильных сторон двух типов существующих приборов, а именно:

- взяв от индикатора первого типа автономный трансформатор тока, обеспечивающий питание датчика,

- а от индикатора второго типа, исключая ошибку измерения, устройство электрической изоляции посредством излучения волн,

- и, применяя сравнительно высокочастотный преобразователь тока в частоту, можно получить третий тип датчика - дешевый, стабильный датчик с низким энергопотреблением, способный работать в широком диапазоне токов и напряжений в проводнике.

Согласно одному из вариантов выполнения заявляемого датчика тока частота импульсов сигнала величины тока находится в пределах заданного частотного диапазона, например 1-250 кГц или другого подходящего диапазона, причем частотный диапазон выбран совместимым с системой индикации, то есть пригодным для надежной индикации фактических, по существу мгновенных значений тока и связанных с ним параметров электрических процессов.

Рабочий диапазон частот импульсов может быть согласован между датчиком тока и системой индикации в целом таким образом, что выбранный диапазон частот может быть широким, средним или узким, а границы диапазона, то есть минимальное и максимальное значения, могут быть выбраны согласно требованиям используемого аналитического блока в системе индикации и, разумеется, в соответствии с шириной и положением диапазонов тока, которым они должны отвечать.

Кроме того, эти частотные диапазоны выбирают таким образом, в соответствии с ожидаемой величиной измеряемого тока и в зависимости от предполагаемого применения датчика, чтобы уложить некоторое число импульсов в интервал измерения, например, пока ток не достигнет нуля в отслеживаемом проводнике после короткого замыкания. В общем случае число импульсов может составлять один импульс за интервал измерения или больше, как описано ниже.

Например, рабочие частотные диапазоны импульсов могут быть 50-180 кГц, 10-90 кГц, 100-130 кГц, 10-300 кГц, либо выходить в диапазон мегагерц или единиц герц или любой другой подходящий диапазон. В общем случае выбирают такую по существу прямую зависимость, при которой низкая частота импульсов соответствует малому мгновенному значению тока в проводнике, а высокая частота импульсов соответствует большому мгновенному значению тока соответственно. Однако могут быть использованы любые другие зависимости, известные специалистам в данной области техники, в соответствии с применением и системными требованиями, например, обратные линейные зависимости, экспоненциальные зависимости или любые другие зависимости, известные специалистам.

В предпочтительном варианте выполнения заявляемого датчика тока, цепь датчика также содержит контур сигнализации об исправности датчика, предназначенный формировать неэлектрический волновой сигнал в качестве сигнала исправности датчика, в частности, когда электрический ток в проводнике ниже заданного диапазона токов. Как упомянуто выше, когда штатный ток в линии ниже заданного диапазона токов, то есть слишком низкий для непрерывного измерения датчиком тока, последний не будет в это время передавать сигнал индикации значения тока. Согласно настоящему варианту выполнения изобретения датчик тока передает сигнал индикации исправности датчика для сигнализации о правильной работе датчика, например, обслуживающему или дежурному персоналу и/или в автоматизированную систему, например дистанционно отслеживающий компьютер. Соответственно, практический диапазон измерения тока в соответствии с настоящим изобретением в действительности шире и простирается намного ниже нижней границы I₁ заданного диапазона токов.

Вышеупомянутый предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения имеет, в частности, преимущество при очень низком штатном токе в линии. При относительно низком штатном токе в проводнике, например от 0,5 А и более, до нижней границы I₁ диапазона измерений тока наведенный ток питания датчика может быть недостаточным для работы преобразователя тока в частоту и передачи импульсного сигнала величины тока. В соответствии с настоящим изобретением такая индикация тока в проводнике не требуется в штатном режиме, то есть при запитанном проводнике, а необходима только во время наблюдения в проводнике тока короткого замыкания.

Сигнал исправности датчика, например повторяющийся сигнал во время низкого тока, может отличаться от импульсного сигнала величины тока, чтобы принимающая их система индикации могла различать эти два сигнала. Импульсные сигналы и повторяющийся сигнал, например, могут иметь различную длительность импульса, частоту импульсов, несущую частоту передатчика, как, например, при использовании для передачи в оптическом диапазоне источников света с существенно различной длиной волны. Однако это может быть сделано любым другим подходящим способом, например обычными способами, известными специалистам в области обработки сигналов.

В другом варианте выполнения заявляемого датчика тока частота импульсов повторяющегося сигнала исправности датчика предварительно задана и относительно низка по сравнению с частотой импульсного сигнала величины тока, например, может варьироваться в пределах от одного импульса в 0.1 секунды до импульса каждые 10 секунд, предпочтительно порядка одного импульса в секунду. Поскольку датчик при измерении очень низкого тока запитан очень малой мощностью, недостаточной для работы цепи датчика, то есть очень малым током, он предпочтительно передает сигнал исправности датчика только в случае необходимости, чтобы уменьшить мощность, потребляемую контуром сигнализации об исправности датчика. Таким образом, частота импульсов этого последнего сигнала предпочтительно удерживается низкой. Это дает дополнительное преимущество, поскольку датчик при токе ниже нижней границы измеряемого диапазона может быть переведен в состояние с низким энергопотреблением, при котором преобразователь тока в частоту отключен, за счет чего можно уменьшать совокупную потребляемую датчиком мощность, например, увеличивая ток I₁. Обращение всей доступной энергии на питание контура сигнализации об исправности датчика дает возможность сохранить активной эту функцию даже при очень малом токе в проводнике, например, меньше 1 А или даже около нуля, при диапазоне измерений тока больше 500 А.

В другом предпочтительном варианте выполнения заявляемого датчика тока цепь датчика также содержит контур сигнализации о потере напряжения для измерения напряжения в проводнике электростатическим способом, который предназначен формировать неэлектрический волновой сигнал в качестве сигнала потери напряжения, указывающего, что приложенное к проводнику напряжение ниже заданного минимального значения по истечении заданного интервала времени с того момента, как ток в проводнике опустился ниже нижней границы измеряемого диапазона, причем этот заданный интервал времени предпочтительно короче периода сигнала исправности датчика, например от 50 до 500 мс.

Таким образом, устраняется потребность в отдельном датчике напряжения, например, в форме отдельного трансформатора напряжения, контролирующего напряжение в измеряемом проводнике, что сокращает количество необходимых системных и установочных компонентов и существенно уменьшает полную стоимость монтажа и обслуживания упомянутой системы. Заданное минимальное значение напряжения предпочтительно может составлять 30-50% от номинального напряжения или любой другой подходящий низкий уровень напряжения. Предпочтительно, контур сигнализации об исправности датчика и контур сигнализации о потере напряжения объединены, чтобы формировать по меньшей мере сигнал потери напряжения в форме одного характерного импульса. Ток, штатно питающий контур сигнализации об исправности датчика, может в таком случае использоваться для питания контура сигнализации о потере напряжения. Кроме того, распознавание низкого напряжения производится локально в датчике тока, что позволяет упростить схему системы индикации. Характерный импульс может быть импульсом, отличающимся от других импульсов, как упомянуто выше, например, имеющим определенную амплитуду или использующим определенный диапазон частот передатчика, или он может быть одиночным импульсом после заданного периода отсутствия импульсов.

В другом варианте выполнения заявляемого датчика тока цепь датчика также содержит контур указания направления потока мощности для передачи сигнала фазы и сигнала полярности посредством передатчика неэлектрического волнового сигнала. Соответственно, используя фазу и полярность тока для определения направления потока мощности в проводнике, датчик может указывать, в каком направлении относительно датчика наблюдается ток, например, короткого замыкания, поскольку направление, показанное датчиком во время, непосредственно предшествовавшее короткому замыканию, может быть зарегистрировано системой индикации, и, таким образом, на основе этой информации может быть вычислена полярность, фаза и, возможно, также направление места короткого замыкания или тому подобное. Опять же, измерения, необходимые для определения направления потока мощности, производятся датчиком, а система индикации короткого замыкания распознает и отображает направление.

Альтернативно, в другом варианте выполнения заявляемого датчика тока, цепь датчика также содержит контур указания направления потока мощности для передачи характерного сигнала направления потока мощности посредством передатчика неэлектрического волнового сигнала. Таким образом, сигнал, указывающий направление потока мощности, может быть использован непосредственно системой индикации для отображения направления потока мощности. Двоичный сигнал может быть сформирован блоком микроконтроллера или другим контуром в цепи датчика.

В предпочтительном варианте выполнения такого датчика тока передатчик неэлектрического волнового сигнала представляет собой по меньшей мере один светоизлучающий диод, а неэлектрический волновой сигнал представляет собой по меньшей мере один оптический сигнал. Таким образом, в частности, для линий электропередачи высокого и среднего напряжения, устранено всякое электрическое влияние на волновой сигнал, исходящее от тока в проводнике и обусловленное помехами в радиодиапазоне или электромагнитными помехами.

В еще одном варианте выполнения используется отдельный передатчик неэлектрического волнового сигнала для каждого из упомянутых импульсов и других сигналов, а в другом варианте выполнения используется один передатчик неэлектрического волнового сигнала для всех указанных сигналов. Использование отдельного передатчика для каждого сигнала уменьшает вероятность ошибки, однако, если передатчик излучает несколько сигналов с наложением, использование одного или малого количества излучателей является преимуществом, поскольку потребуется только один или малое количество приемников и линий связи, что уменьшает производственные и монтажные затраты. Конечно, может быть достаточно единственного приемника/линии связи, если при передаче и получении сигналов используется соответствующая обработка. Один из способов применения обработки сигналов, согласно одному из вариантов выполнения, состоит в том, что каждый импульс или иной сигнал передают в своем диапазон частот, отличном от других, либо используют несколько светодиодов, каждый из которых имеет иной спектр и/или амплитуду.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения заявляемого датчика тока передатчик неэлектрического волнового сигнала представляет собой по меньшей мере один светоизлучающий диод, а неэлектрический волновой сигнал представляет собой по меньшей мере один оптический сигнал. Соответственно, использование светодиодов для передачи импульсных сигналов или сигналов от датчика тока может обеспечить надежный сигнал, который может быть легко обнаружен системой индикации с применением коммерчески доступных компонентов, таких как счетчики импульсов, например с фотодиодами, либо оптический датчик в интегральном корпусе микроконтроллера (MCU). Это уменьшает издержки производства и увеличивает надежность принятого сигнала. Светодиод может передавать в различных оптических диапазонах, в соответствии с передаваемым сигналом, диапазоны диодов могут быть выбраны из списка доступных типов, в их числе инфракрасные, видимого света, ультрафиолетовые, а также лазерные диоды. Также могут быть использованы и другие неэлектрические волновые сигналы, в том числе звуковые и механические. Однако они могут оказаться слишком медленными для быстрого отображения параметров электрических процессов. Другой тип волнового сигнала - радиоволны или другие электромагнитные волновые сигналы.

В другом варианте выполнения заявляемого датчика тока передатчик неэлектрического волнового сигнала представляет собой одно устройство для передачи всех сигналов, или же оно представляет собой отдельное устройство для каждого сигнала. Использование только одного устройства, например одного светодиода для передачи одного или более сигнала, например, для сообщения различных результатов измерения с датчика тока позволяет сократить число устройств вывода, например, линий связи, что уменьшает производственные и монтажные затраты. Однако использование более одного устройства может повысить надежность переданного сигнала, так как сигналы могут быть наложены друг на друга или согласованы для приема одним или более приемником. Соответственно, в системе индикации могут быть использованы различные технологии обработки сигналов для разделения различных сигналов, переданных датчиком тока. Таким образом, в одном варианте выполнения частотная полоса и/или длительность импульса для каждого из упомянутых импульсных сигналов отличается от других. В другом варианте выполнения амплитуда каждого из импульсных сигналов отличается от других.

Для получения надежного импульсного сигнала высокого разрешения, который может быть зарегистрирован существующими электронными компонентами, в одном из вариантов выполнения заявляемого датчика тока ширина каждого импульса, по меньшей мере для импульсного сигнала величины тока, составляет 0,5-5 мкс, предпочтительно 1-3 мкс, наиболее предпочтительно 1,2-2 мкс, что попутно дает измерения почти в режиме реального времени. Это может быть достигнуто подбором соответствующих компонентов цепи измерения тока, например использованием быстрого преобразователя тока в частоту. Кроме того, обработка сигналов позволяет реализовать другой вариант настоящего изобретения, в котором ширина импульса и/или высота каждого импульсного сигнала отличаются от других с использованием технологий обработки сигналов.

В еще одном варианте выполнения заявляемого датчика тока он также предназначен для дополнительного снабжения себя энергией. Альтернативно или дополнительно датчик содержит автономный источник электропитания, то есть внутренний источник электроэнергии, например аккумулятор, и/или внешний источник электроэнергии, например солнечные батареи и/или один или более приемник радиочастотной энергии.

В общем случае для обеспечения автономного датчика тока используют трансформатор тока, то есть электропитание для датчика тока получают электромагнитным способом из тока в проводнике с использованием трансформатора тока. Это желательно при отслеживании линий электропередачи переменного тока высокого или среднего напряжения, когда линия запитана. По меньшей мере один из измеряемых проводников проходит через сердечник с высокой магнитной проницаемостью, который усиливает магнитное поле проводника или проводников. Переменный ток постоянно меняет потенциал от положительного к отрицательному и обратно обычно с частотой 50 или 60 Гц. Возникающее и исчезающее магнитное поле наводит ток в обмотках, давая возможность точно измерять ток в кабеле.

Однако датчик тока также может содержать автономный источник электропитания, то есть внутренний источник питания, например аккумулятор, и/или внешний, тем не менее электрически изолированный от окружающей среды, например солнечные батареи и/или приемник радиочастотной энергии. Может быть желательно использовать аккумулятор или другие источники, например солнечные батареи, которые могут быть электрически изолированы от окружающей среды. Сигнализация о потере напряжения необходима только после того, как в измеряемом проводнике произошло короткое замыкание, и в этом случае благодаря большому току короткого замыкания доступна вполне достаточная энергия для питания датчика.

Наличие дополнительного автономного источника питания не увеличивает трудозатраты по обслуживанию, например для замены аккумуляторов или тому подобного, потому что срок службы используемых аккумуляторов может, что желательно, превышать потребность датчика в энергии, поскольку, в частности, контур сигнализации о потере напряжения потребляет очень мало энергии. Предпочтительно этот дополнительный резерв представляет собой перезаряжающиеся аккумуляторы и/или конденсаторы, например перезаряжаемые во время штатной работы линии за счет тока в проводнике.

В другом варианте выполнения заявляемый датчик тока предназначен для измерений в проводнике, представляющем собой линию электропередачи переменного тока в распределительной сети. Альтернативно он предназначен для измерений в проводнике, который представляет собой линию электропередачи переменного тока железнодорожной сети. В этих областях применение датчика тока и соответствующей системы индикации дает наибольшие преимущества, поскольку эти приборы дешевы, и может потребоваться большое количество датчиков тока для охвата всей отслеживаемой сети, особенно в распределительных сетях низкого и среднего напряжения, а также для железнодорожной сети. Согласно настоящему изобретению отслеживаемый проводник также может быть кабелем питания конечного потребителя, например, для бытовых приборов.

В еще одном варианте выполнения заявляемый датчик тока также может быть предназначен для отслеживания больше чем одного проводника, например, для измерения утечек на землю в нагрузке методом разностного анализа. В варианте выполнения заявляемого датчика тока магнитопровод индуктивного трансформатора тока по размеру предназначен для охвата, удержания и измерения больше чем одного проводника. В этом случае трансформатор датчика может иметь магнитопровод относительно большого размера для охвата больше чем одного проводника или другим способом приспособлен к измерению больше чем одного кабеля, когда требуется разностный анализ, например, при измерении утечки на землю различных электрических нагрузок, таких как насосы, нагреватели и прочие. Этот способ, в частности, предпочтителен для многокабельных проводников, например, когда проводник снабжен заземляющей кабельной секцией.

В другом варианте выполнения заявляемого датчика тока указанный датчик, то есть детектор тока, электрическая цепь и передатчик, изготовлен как моноблок в корпусе. Таким образом, разработано дешевое маломощное устройство измерения тока, которое может быть миниатюризировано, сконструировано и легко установлено на обычных линиях электропередачи или проводниках различных типов.

В еще одном варианте настоящего изобретения имеется система индикации для проводника, содержащая датчик переменного тока вышеупомянутого вида. В одном из вариантов выполнения система индикации также содержит электрически изолированную линию связи для передачи по меньшей мере упомянутого неэлектрического волнового сигнала от датчика тока; и аналитический блок, способный измерять по меньшей мере частоту по меньшей мере импульсного сигнала величины тока от датчика тока и преобразования его в мгновенное значение тока для дальнейшего использования при определении параметров электрических процессов в проводнике, таких как мгновенное значение тока, возникновение коротких замыканий, срабатывание релейной защиты, скачки напряжения и прочих.

Таким образом, предложена гибкая, быстрая и надежная система индикации, пригодная для применения на линиях электропередачи низкого, среднего и высокого напряжения для измерения тока в широком диапазоне, которая может быть использована для индикации основных параметров электрических процессов, таких как среднее значение тока, короткие замыкания, неисправности линий электропередачи, срабатывания релейной защиты, неисправности опорной линии, по существу в режиме реального времени, с измерением мгновенных значений тока.

Установление состояния электрических процессов в проводнике, например распознавание возникновения короткого замыкания, предпочтительно производят на расстоянии от датчика, а не в самом автономном блоке датчика, как это делается в некоторых типах известных индикаторов. В известных индикаторах измерение тока, распознавание короткого замыкания и зачастую также собственно индикацию выполняют в устройстве, присоединенном к проводнику. В соответствии с настоящим изобретением, если распознавание состояния электрических процессов, например наличия короткого замыкания, производят на расстоянии от места измерения, устройства распознавания и индикации этого состояния могут быть снабжены постоянным источником питания, например, от отдельного индикаторного блока, что делает распознавание и индикацию независимыми от ограничений интервала времени обнаружения. Преимущество этого способа состоит в том, что распознание короткого замыкания может быть выполнено в пределах очень короткого интервала времени измерения тока. Это дает очень быстрое и надежное определение величины переменного тока.

Аналитический блок предпочтительно предназначен для выбора одного или более текущего состояния электрических процессов, подлежащих отслеживанию, для чего предоставлены средства выбора, такие как переключатели, кнопки, средства отображения или шины для задания режима измерения одного или более параметра электрических процессов.

Заявляемый датчик тока содержит преобразователи тока в частоту для формирования различных или модулированных импульсных сигналов, частота и/или наличие которых передает результаты измерения от датчика или датчиков тока, в отличие от известных систем индикации первого типа, в которых аналитические устройства для распознания состояния электрических процессов, например короткого замыкания в момент его возникновения, расположены непосредственно на проводнике. Это значительно сокращает энергопотребление компонентов цепи датчика, как было упомянуто выше, и существенно уменьшает нижнюю границу диапазона измеряемых токов I₁ в проводнике. Кроме того, при использовании модулированных и/или различных импульсных сигналов или отдельных сигналов для каждого измерения может быть использована одна или более технология обработки сигналов, известная специалистам в данной области техники, для разделения различных сигналов и их информационного содержания.

Термин "неэлектрический волновой сигнал" обозначает сигнал в форме волнового движения среды, который не является электрическим, то есть не распространяется посредством электронов, но в любой другой форме, в частности, посредством электромагнитной волны, например, видимого или инфракрасного света, радиочастотных волн или другой неэлектрической волны, такой как механические или звуковые волны. Использование электрически изолированной линии связи, такой как волоконно-оптический кабель, для передачи неэлектрического волнового сигнала дает преимущество электрически изолированной линии передачи между индикаторным блоком, который обычно заземлен, и измеряемым проводником. Другое преимущество при использовании одной или больше подобных линий связи состоит в том, что при ее прокладке в контакте с другими кабелями, например электрическими кабелями, например, в электрических панелях, переходниках и шкафах с предохранителями, переключателями и т.п. риск, например, дефекта изоляции и возникновения электрической дуги между кабелями значительно снижен.

В другом варианте выполнения система индикации дополнительно содержит детектор порогового тока, предназначенный для распознания превышения током, соответствующим частоте токового импульсного сигнала, заданного порога, и средство отображения короткого замыкания, которое, основываясь на измерении тока, извещает о возникновении в проводнике короткого замыкания, что образует систему индикации короткого замыкания.

Точное значение тока в реальном времени, измеряемое по меньшей мере одним датчиком, соответственно может быть использовано для распознания короткого замыкания в отслеживаемом проводнике, даже в сетях низкого напряжения и/или для близлежащих коротких замыканий в линиях высокого напряжения.

Испытания показали, что заявляемая система индикации имеет высокое быстродействие и обеспечивает надежное измерение тока и обнаружение короткого замыкания при длительности тока короткого замыкания меньше 1 мс, то есть очень краткого периода по сравнению с существующими анализаторами и индикаторами состояния электрических процессов.

В предпочтительном варианте выполнения заявляемая система индикации дополнительно содержит

- средство измерения напряжения для измерения напряжения в проводнике,

- детектор порогового напряжения для распознания такого состояния, в котором напряжение, измеряемое средством измерения напряжения, ниже заданного порогового напряжения по истечении заданного интервала времени с момента срабатывания упомянутого выше детектора порогового тока,

- и средство отображения короткого замыкания для извещения о возникновении короткого замыкания в проводнике в случае срабатывания детектора порогового напряжения. Соответственно, настоящая система индикации не чувствительна к кратковременным броскам тока, не связанным с короткими замыканиями, что уменьшает количество ложных срабатываний.

В этом варианте выполнения средство измерения напряжения и детектор порогового напряжения исполнены в моноблоке с датчиком тока, содержащим контур сигнализации о потере напряжения. Соответственно, не требуется отдельный датчик напряжения, что также уменьшает затраты на установку и обслуживание. Альтернативно средство измерения напряжения содержит датчик напряжения, отдельный от датчика тока, в каковом случае детектор порогового напряжения исполнен отдельно от датчика тока, предпочтительно в аналитическом блоке. Измерение напряжения по истечении заданного интервала времени гарантирует, что кратковременные броски тока в проводнике, не связанные с коротким замыканием, не будут ошибочно приняты за ток короткого замыкания.

В предпочтительном варианте выполнения система индикации также содержит индикатор исправности датчика, который действует, в частности, когда ток в проводнике ниже нижней границы диапазона измеряемых токов. Соответственно, рабочий диапазон системы индикации расширен и включает токи ниже заданного диапазона токов.

В еще одном варианте выполнения заявляемая система индикации также содержит указатель величины тока, например, на жидкокристаллическом дисплее, или на светодиодном индикаторе, или подобном. Таким образом, могут быть отображены значения токов, например, на отдельном дисплее для каждого проводника, или на одном дисплее для всех, показывающем, например, среднее или среднеквадратическое значение тока в отслеживаемых проводниках. Показываемый уровень тока обычно представляет собой штатный режим линии в пределах заданного диапазона токов, а не ток короткого замыкания. Дисплей также может быть использован для задания и отображения настроек.

В еще одном варианте выполнения заявляемой системы индикации аналитический блок расположен на расстоянии от датчика тока. Такое расположение обеспечивает доступность аналитического блока, например, для обслуживания и ремонта, что предпочтительно, в частности, для подземных кабельных и воздушных линий, доступ к которым затруднен, а также уменьшает влияние электромагнитных помех на достоверность распознания короткого замыкания системой и дает возможность использовать один блок с несколькими датчиками тока. Альтернативно аналитический блок может быть выполнен как моноблок с датчиком тока, что может быть предпочтительно для одиночного отслеживаемого проводника и для кабелей малой мощности, например, бытовой сети электропитания.

В другом варианте выполнения заявляемой системы индикации детектор порогового тока дополнительно содержит регулировочное устройство для задания входного тока, например один или более микропереключатель, измерительный потенциометр и/или кнопки, либо использует средство отображения для установки входного тока заданием порогового значения тока. Соответственно, один датчик тока можно применять для различных типов проводников с корректировкой уставки порогового тока до подходящего значения, в зависимости от тока короткого замыкания, ожидаемого в данном месте на отслеживаемом проводнике. Регулируемое устройство задания входного тока может задавать входной ток, то есть штатный режим в отслеживаемом проводнике. Способ задания может быть плавным или ступенчатым, как, например, переключатель входного тока на 14 положений в диапазоне 40-160 А. Это упрощает монтаж. В другом варианте выполнения регулируемое устройство задания входного тока имеет средство для удаленной установки порогового тока. Соответственно, диапазон токов такой системы может быть задан дистанционно, и тем самым сокращены трудозатраты, необходимые для физического доступа к системе индикации, если входной ток необходимо изменить, или в другом подобном случае.

В другом варианте выполнения заявляемой системы индикации линия связи представляет собой электрически изолированный волоконно-оптический кабель, а неэлектрический волновой сигнал представляет собой оптический волновой сигнал, что снижает электромагнитные помехи связи.

В другом варианте выполнения заявляемой системы индикации средство отображения короткого замыкания содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод. Таким способом обеспечена индивидуальная индикация короткого замыкания в одном или более проводнике.

В варианте выполнения заявляемой системы индикации индикатор короткого замыкания выполнен как дистанционный по отношению к аналитическому блоку для удаленной индикации короткого замыкания, в форме, например, цифрового интерфейсного модуля связи с удаленным компьютером для отображения на дисплее короткого замыкания и других параметров. Компьютер с подходящим программным обеспечением и цифровым интерфейсным блоком, связанный, например, с цифровым интерфейсом аналитического блока, может отображать на общем дисплее короткие замыкания или другие состояния электрических процессов больше чем от одной системы индикации. Это уменьшает время, необходимое для осмотра каждого аналитического блока в отслеживаемой энергосети. Это, в частности, предпочтительно при наличии множества систем. Такой цифровой интерфейс также может быть предназначен для предоставления дополнительной информации и дистанционного управления, связанных с фактическими величинами токов и напряжений.

В еще одном варианте выполнения заявляемая система индикации также содержит средство перезапуска индикатора, и в другом варианте выполнения это средство перезапуска индикатора устроено таким образом, что перезапуск может быть произведен дистанционно. Средство перезапуска индикатора предназначено для перезапуска системы индикации, когда проводник после короткого замыкания возвращен в штатный режим, и может содержать средство ручного перезапуска, например выключатель или кнопку на аналитическом блоке, в автоматическом средстве перезапуска и/или в цифровом интерфейсе.

В другом варианте выполнения заявляемая система индикации дополнительно содержит указатель направления потока мощности. За счет этого можно более точно указывать местонахождение отображаемого короткого замыкания, вследствие чего может быть дополнительно уменьшено время обслуживания, необходимое для устранения неисправности в линии с коротким замыканием.

В другом варианте выполнения заявляемая система индикации дополнительно содержит по существу постоянный источник энергии, обеспечивающий работу аналитического блока. В противоположность некоторым известным индикаторам определение и индикация короткого замыкания не ограничены каким-либо интервалом времени обнаружения для датчика тока. Вместо этого распознание, то есть определение состояния электрических процессов, и передачу такой информации выполняет аналитический блок на основании импульсного сигнала от датчика. То, что сам аналитический блок обеспечен постоянным источником энергии, позволяет надежную индикацию состояния электрических процессов, даже когда сигнал от датчика недоступен из-за отсутствия тока питания датчика от проводника в случае, например, короткого замыкания.

В другом варианте выполнения заявляемой системы индикации аналитический блок генерирует ток, отвечающий частоте импульсного сигнала тока как среднее или среднеквадратичное значение тока, преобразованное из непрерывной серии импульсов, полученных в течение интервала измерения, предпочтительно короткого интервала, порядка 1 мс. Соответственно, возможна очень быстрая индикация тока в проводнике для распознания и отображения короткого замыкания и, возможно, для отображения среднего или среднеквадратического значения тока, например, как среднего значения диапазона средних или среднеквадратических значений тока.

В другом варианте выполнения заявляемой системы индикации мгновенное по существу значение тока передают в аналитический блок для определения качества напряжения и/или тока. Поскольку заявляемая система индикации получает, по существу, мгновенные значения тока, может быть вычислена оценка качества сигнала тока и/или сигнала напряжения, то есть степени, до которой ток и/или напряжение в проводнике приближаются к идеальной синусоидальной форме, каковая степень представляет собой меру качества тока и/или напряжения в проводнике.

В другом варианте выполнения заявляемой системы индикации аналитический блок выполнен как моноблок с датчиком тока. Альтернативно, в зависимости от ситуации, один или более датчик тока может быть выполнен как моноблок с аналитическим блоком. В частности, это дает преимущество для отслеживания линий низкого напряжения, где не требуется высоковольтная изоляция между этими двумя устройствами.

Далее изобретение будет описано более подробно на примере двух вариантов выполнения, проиллюстрированных на схематических чертежах, где одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые элементы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведена фотография варианта выполнения заявляемой системы индикации с тремя датчиками тока, выполненными согласно первому варианту выполнения.

На фиг.2 приведена электрическая схема системы индикации, показанной на фиг.1.

Фиг.3 схематически показывает блок-схему, иллюстрирующую второй вариант выполнения заявляемого датчика тока с цепью датчика тока.

Фиг.4 показывает упрощенную электрическую схему датчика тока, проиллюстрированного на фиг.3 или на фиг.1.

Фиг.5А-5Е показывают выходные экраны испытательной конфигурации, содержащей датчик тока согласно первому варианту выполнения изобретения, отображающие фактические значения переменного тока в проводнике и результирующую частоту светового импульса из датчика тока.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан перспективный вид системы индикации 1 согласно варианту выполнения настоящего изобретения, предназначенному для индикации коротких замыканий, которая содержит три датчика 22, 24 и 26 тока, согласно первым вариантам выполнения настоящего изобретения, причем каждый датчик предназначен для размещения на своем проводнике в трехфазной сети переменного тока, для измерения тока в проводниках, с последующим преобразованием тока в частотный импульсный сигнал CS₁ в форме оптического волнового сигнала, причем частота импульса Pf_CS указывает величину измеренного тока.

Датчик 22 тока непрерывно действует, то есть измеряет и передает информацию в форме импульсного сигнала величины тока CS₁ о фактическом токе в проводнике через последовательные заданные периоды измерения или интервалы обнаружения, длительность которых задана минимальной для обеспечения быстрой индикации, например 1 мс. Это дает достаточное большое количество импульсов в пределах интервала для передачи по существу мгновенных значений тока, а также повышает статистическую точность и позволяет точно измерять среднее или среднеквадратическое значение тока в указанных пределах заданного периода измерения, что по меньшей мере в пять раз короче интервалов обнаружения существующих систем индикации. Частота следования импульсов Pf_CS импульсного сигнала может быть, например, 10 импульсов или больше за период измерения, то есть 10 кГц или больше, как описано ниже в связи с фиг.5А-5С.

В связи с этим в некоторых вариантах выполнения датчик 22 тока может дополнительно формировать импульсные или иные сигналы для индикации, например, исправности датчика во время относительно низкого тока штатного режима и/или потери напряжения в проводнике/проводниках по истечении заданного интервала времени, и/или фазы и полярности напряжения и/или тока для определения направления потока мощности, или прямой информации о направлении потока в данном проводнике, при этом датчик взаимодействует с соответствующим средством анализа и отображения, как будет описано ниже.

Кроме того, с использованием различных сигналов для каждого измерения могут быть применены различные, известные специалистам технологии обработки сигналов для разделения различных сигналов и содержащейся в них информации. Эти технологии обработки сигналов, известные специалистам в данной области техники, не будут обсуждаться здесь, за исключением нескольких примеров, в их числе использование различной амплитуды импульсов, ширины отдельных импульсов, частоты следования, а также использование технологии распознавания для разделения перекрывающихся импульсов с применением средств обработки сигналов и другие, например использование различных частотных диапазонов оптических волн, то есть инфракрасного, видимого красного, видимого зеленого и/или лазерного луча с различными частотными диапазонами и амплитудами.

Система 1 также содержит по одной линии связи для каждого датчика с волоконно-оптическими кабелями 32, 34, 36, один конец которых присоединен к одному из датчиков тока, а их другие концы собраны в аналитическом блоке 5 для индивидуального распознавания и индикации возникновения короткого замыкания. Альтернативно также может иметься общая линия связи и средства для распознавания и индикации. Каждый из трех датчиков 22, 24, 26 тока имеет одинаковую конструкцию, потому ниже будет описан только один, показанный на фиг.3. На рисунках были показаны три датчика, каждый из которых предназначен для одной фазы в трехфазной железнодорожной сети с напряжением 1 кВ. Однако, очевидно, можно использовать любое число датчиков и соответствующих линий связи, в зависимости от требований конкретного применения, например, от одного датчика и одного блока обнаружения на каждый проводник до нескольких датчиков, по одному на каждый отслеживаемый проводник, и одного или более блока обнаружения в одном или более аналитическом блоке. Кроме того, пример для кабелей с напряжением 1 кВ носит исключительно иллюстративный характер и не ограничивает область настоящего изобретения.

Линия связи представляет собой волоконно-оптический кабель любого существующего класса, например волоконно-оптический кабель с сердечником 1 мм с пластиковым покрытием марки SH4001, который пригоден для передачи оптических импульсов с заданной частотой при использовании одной и той же или различных частотных полос оптического диапазона. Длина волоконно-оптического кабеля может быть любой, в зависимости от волнового затухания в нем, например 1-10 м.

Как показано на фиг.1, датчик 22 тока может содержать трансформатор 2210 тока замкового типа, обычно в корпусе 2252 датчика. Трансформатор 2210 тока содержит U-образное ярмо 2244 из магнитопроводящего материала, магнитно связанное винтом 2246 с корпусом 2252, которое навешивают на линию электропередачи посредством крепления 2242. Трансформатор 2210 выполнен, например, с использованием обмотки и сердечника (не показаны), расположенных между элементами крепежа 2242, так, что электроэнергия питания, как описано подробно ниже в связи с фиг.3 и 4, может быть подана в цепь датчика (не показана) в корпусе 2252, по меньшей мере когда ток короткого замыкания протекает в измеряемой линии электропередачи.

Таким способом обеспечен автономный источник питания для цепи датчика. Кроме того, может быть обеспечен дополнительный электрически изолированный внешний или внутренний источник питания, например в форме солнечных батарей, если среда, окружающая датчик тока, обеспечивает достаточное количество света, например солнечного света, или в форме аккумуляторов, расположенных в корпусе датчика тока, что, в частности, желательно для отслеживания маломощных линий электропередачи. Сравнительно новый способ электрически изолированного внешнего питания представляет собой радиочастотный приемник энергии, которая может быть передана датчику тока извне в форме радиоволн в диапазоне радиочастот.

Кроме того, датчик может иметь приемопередатчик электромагнитного (радиочастотного, светового, инфракрасного и т.д.) диапазона для передачи данных о выполненных измерениях, и/или для задания, и/или настройки других значений в датчике, например диапазона измеряемых токов I₁-I₂, величины I_max и/или тому подобных.

В очередном варианте выполнения (не показан) датчик тока также может быть предназначен для отслеживания больше чем одного проводника. Например, в случае, когда определяют утечку на землю проводников, питающих такую электрическую нагрузку, как, например, насосы, нагреватели, освещение и подобные, где можно применить разностный анализ токов в отслеживаемых проводниках. Например, датчик тока может быть использован в таких условиях, в которых размер магнитопровода индуктивного трансформатора тока предназначен для охвата, удержания и измерения больше чем одного проводника. В этом случае трансформатор в датчике может быть предназначен для измерения больше чем одного кабеля и, например, для передачи сигнала, если прямой ток не равен обратному, то есть сумма этих токов отличается от нуля. Такой разностный анализ необходим, например, при измерении утечек на землю в электрической нагрузке. Это, в частности, желательно для многокабельных токопроводов, например, когда проводник предоставляет собой два или больше ведущих токопровода и/или одну или больше заземленную кабельную секцию.

Аналитический блок 5 содержит приемник 51, как показано на фиг.2, который, например, может быть приемником световых импульсов, например фотодиодом или тому подобным, например, в составе микроконтроллера, расположенным в корпусе, с лицевой индикаторной панелью для снятия показаний. Аналитический блок 5 также содержит цепь анализатора (для простоты не показана), а также индикатор короткого замыкания в форме одного красного и одного зеленого светодиода на индикаторной панели для каждого индикатора 532, 543, 536 короткого замыкания, причем красный свет включен, когда в проводнике распознано короткое замыкание, а зеленый свет включен в штатном режиме и/или когда сигнал исправности датчика зарегистрирован приемником 51, и в этом случае светодиод также может функционировать как индикатор 540 исправности датчика. На фиг.3 показан отдельный светодиод 540, установленный на корпусе индикатора.

Также аналитический блок 5 может содержать указатель величины тока (не показано), который может показывать среднее или среднеквадратическое значение тока, измеряемого в указанных трех проводниках, и отображать рабочее значение тока или входное значение тока, на которое настроена система индикации. Указатель может иметь вид жидкокристаллического дисплея, или указателя уровня, или другого подходящего средства для отображения соответствующего числового значения. Это значение входного тока или величина уставки тока короткого замыкания могут быть откорректированы вручную переключателями 552, кнопками вверх/вниз и/или установлены удаленным способом, причем могут быть использованы другие варианты установки, известные специалистам.

Также аналитический блок 5 содержит средство 560 перезапуска индикатора для перезапуска системы индикации после регистрации состояния короткого замыкания, например, после соответствующего восстановления линии. Индикаторы короткого замыкания или светодиоды 532, 543, 536 могут продолжать светить красным светом, пока система индикации не будет перезапущена. Средство перезапуска также может иметь внешний ручной перезапуск или автоматический перезапуск после настраиваемого заданного периода времени, например, через 4 часа или через сутки, с расчетом достаточного времени для регистрации короткого замыкания и его исправления обслуживающим персоналом.

Установка рабочего или входного значения тока, перезапуск системы 1 индикации и отображение короткого замыкания также могут быть выполнены дистанционно, на расстоянии от аналитического блока 5, например, с использованием цифрового интерфейса 580, передающего удаленные команды и сигналы отображения. Кроме того, аналитический блок 5 оборудован монтажной системой 570, например, для крепления на стандартной монтажной шине, например DIN-рейке TS 35.

На фиг.2 показана примерная электрическая схема системы 1 индикации, проиллюстрированной на фиг.1, на которой блоки 22, 24 и 26 датчика размещены вокруг проводников L1, L2 и L3, таких, например, как трехфазная железнодорожная сеть с напряжением 1 кВ. Соответствующие волоконно-оптические кабели 32, 34, и 36 предназначены для передачи неэлектрических волновых оптических сигналов соответственно от блоков 22, 24, и 26 датчика в аналитический блок 5, в котором имеется микроконтроллер или микропроцессорный блок управления для обработки отдельных оптических сигналов от каждого блока датчика. Принятые оптические сигналы содержат импульсные сигналы тока, частота которых пропорциональна измеренному току в проводнике. Микропроцессорный блок управления может преобразовать каждый принятый импульсный или иной сигнал CS в значение тока и действует как аналитический блок 5.

Проводники L1, L2, L3 представляют собой линии железнодорожной электросети переменного тока с напряжением 1 кВ, например, для снабжения электроэнергией объектов, расположенных вдоль железной дороги. Однако датчики 22, 24, 26 тока могут быть изготовлены с расчетом на любой электрический провод переменного тока от малого до большого диаметра, например от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Размер следует принимать во внимание, поскольку, в частности, магнитопровод 2244 должен обеспечивать охват проводов того или иного диаметра. Проводники могут быть проводами линий электропередачи переменного тока низкого, среднего и высокого напряжения, в зависимости от строения цепи датчика.

Цепь анализатора содержит приемник 51, который измеряет по меньшей мере частоту по меньшей мере импульсного сигнала тока и преобразует его в ток, отвечающий частоте импульсного сигнала тока, например, при помощи микропроцессорного блока управления, как показано на фиг.2. В системе индикации короткого замыкания цепь анализатора также содержит детектор порогового тока, определяющий превышение током, отвечающим частоте импульсного сигнала CS тока, заданного порога I_max.

Система также содержит детектор порогового напряжения, определяющий то обстоятельство, что напряжение, измеренное средством измерения напряжения, ниже заданного порога V_min по истечении заданного интервала времени t₁, например порядка 200 мс для линии электропередачи с напряжением 1 кВ (или, во всяком случае, менее 500 мс), после того, как детектор порогового тока зарегистрировал превышение заданного диапазона тока.

Однако такая цепь анализатора может быть выполнена по обычным технологиям, известным специалистам в данной области техники, и также здесь не описана. Заданный интервал времени выбран в соответствии с применением, то есть в соответствии с отслеживаемыми уровнями мощности. Приемник 51 может быть исполнен в виде микросхемы, т.е. как микропроцессорный блок управления и средство распознавания, например, бистабильное реле, переводящее индикатор короткого замыкания в состояние индикации неисправности, например, включением светодиода, излучающего красный видимый свет.

Значение входного тока устанавливают микропереключателями 552 на аналитическом блоке 5, при этом входной ток задает уровень триггера превышения тока или пороговый ток для аналитического блока 5, в зависимости от типа измеряемого проводника. Например, по причине синусоидальной формы тока, измеренного в линии электропередачи переменного тока, задание значения входного тока, например 40 А, будет соответствовать уставке превышения тока 40√2 или 54,4 А. Таким образом, уставка фактического допустимого тока I_max в течение периода измерения 1 мс при заданном входном токе 40 А составляет 54,4 А. Иными словами, любой ток, превышающий значение 54,4 А в течение периода 1 мс, сопровождаемый измеренным по истечении задержки 200 мс напряжением, например V_min ниже 20 В постоянного тока или ниже 40 В переменного тока, будет определен как ток короткого замыкания 40 А с ошибкой ±10% или ±5% или менее в зависимости от конкретного применения.

Средство измерения напряжения может быть выполнено двумя способами. В первом варианте выполнения средство измерения напряжения представляет собой отдельное устройство 40 контроля напряжения, как показано на фиг.2, которое может иметь трансформатор, используемый на месте, для измерения, результат которого передают в микропроцессорный блок управления для установления потери напряжения, то есть ситуации, когда напряжение ниже порогового напряжения V_min, например 10-50% номинального напряжения или меньше, по истечении заданного интервала времени t₁.

Во втором варианте выполнения средство измерения напряжения и детектор порогового напряжения выполнены в общем блоке 2240 в датчике 22 тока в контуре 2226 сигнализации о потере напряжения, как показано на фиг.3, для измерения напряжения в проводнике электростатическим способом, что может быть реализовано с использованием различных доступных компонентов, предназначенных формировать неэлектрический волновой сигнал в качестве сигнала потери напряжения VLS, наличие которого указывает, что напряжение в проводнике ниже заданного минимального значения напряжения по истечении заданного времени задержки. Второй вариант выполнения обеспечивает преимущество в виде сокращения времени монтажа и числа компонентов, установленных отдельно, а также упрощает цепь анализатора.

Измерение напряжения по истечении заданного интервала времени гарантирует, что кратковременные броски тока в проводнике, не связанные с коротким замыканием, не будут ошибочно распознаны как ток короткого замыкания. Такое измерение напряжения в датчике не обязательно, но оно необходимо для правильного определения, является ли скачок напряжения действительно коротким замыканием, а не каким-либо другим кратковременным перепадом мощности.

Для ручного перезапуска системы индикации в рабочее состояние, например, после устранения короткого замыкания или возврата в штатный режим служит кнопка, подключенная к клеммам С1 и С2.

Источником питания для цепи анализатора служит по существу постоянный источник питания, например источник электропитания переменного или постоянного тока, например электросеть, аккумуляторная батарея или тому подобное, с подключением к клеммам А1 и А2. Таким образом, на длительность интервала распознавания тока короткого замыкания не наложены ограничения, что обеспечивает надежное распознание короткого замыкания.

Во время работы, как показано на фиг.2, датчики тока 22, 24, 26 по одному охватывают соответствующие проводники L1, L2, L3 и генерируют неэлектрический волновой импульсный сигнал, в котором частота импульсов пропорциональна переменному току в проводнике, измеряемом датчиком тока, установленном на данном проводнике. Индикация короткого замыкания имеется для каждого датчика тока в форме светодиодов 532, 534, 536 и обеспечивает извещение о коротком замыкании или неисправности отслеживаемого проводника. Альтернативно для всех датчиков используется один общий светодиод, указывающий короткое замыкание, или, в других примерах системы индикации, также и другие основные параметры электрических процессов, например мощность, реактивную мощность и подобные.

Как показано на фиг.3, цепь датчика 2220 имеет источник питания, то есть автономный источник питания через трансформатор 2210 тока, и содержит контур 2222 индикации величины тока, включающий преобразователь тока в частоту, с использованием одного или более усилителя для передачи оптического импульсного сигнала с частотой импульсов Pf_CS, пропорциональной входному току, то есть величине тока в проводнике, и затем этот импульсный сигнал излучает средство 2230, то есть светодиод, общий для всех оптических сигналов, передаваемых датчиком тока. Альтернативно первая группа излучателей может излучать один, несколько или все сигналы, вторая группа также один, некоторые или все; либо по одному светодиоду предназначено для каждого передаваемого сигнала, для чего необходимы соответствующие линии связи и приемники в аналитическом блоке 5.

Заданный интервал тока I₁-I₂ является рабочим диапазоном датчика тока, то есть таким током в проводнике, который достаточен для выработки тока питания цепи датчика для формирования импульсного оптического сигнала. Этот диапазон желательно выбирать в соответствии с конкретным применением, например 10-200 А для линий с напряжением 1 кВ или 5-500 А для линий электропередачи низкого напряжения, при соответствующем выборе компонентов схемы. Чтобы импульсы можно было принимать, ширина импульса установлена в соответствии с интервалом измерения 1 мс, причем современные приемники распознают импульсы короче 10 мкс, например 0,5-5 мкс, предпочтительно 1-3 мкс, наиболее предпочтительно примерно 1,2-2 мкс. Высота и/или ширина отдельных импульсов могут быть выбраны подходящим образом для разделения сигналов. Такой выбор разрешения цепочки импульсов является преимуществом заявляемого датчика тока, поскольку обеспечивает легкую переналадку датчика под любое заданное разрешение соответствующего приемника в заявляемой системе.

Вышеупомянутый ток I_max, то есть пороговое значение тока для распознания, например, коротких замыканий или неисправностей линии предпочтительно выбирают в пределах рабочего диапазона токов I₁-I₂, либо он может быть задан равным I₂.

Пример контура 2222 индикации величины тока показан на фиг.4, где входной ток подается на две клеммы, например, от трансформатора 2210 тока преобразователя тока в частоту, а выход имеет форму импульсного сигнала, излучаемого светодиодом, частота импульсов которого пропорциональна току через трансформатор 2210. Контур 2222, содержащий преобразователь тока в частоту, имеет операционный усилитель/компаратор, который соединен с другими компонентами цепи. Имея в виду, что специалист осведомлен о различных техниках подбора компонентов цепи в соответствии с конкретным применением, вопросы создания преобразователя тока в частоту других типов более не будут здесь обсуждаться.

Согласно изобретению спецификация, которой должен соответствовать преобразователь тока в частоту датчиков, зависит от конкретного применения. Контур 2222, показанный на фиг.4, предназначен для применения в трехфазной железнодорожной электросети с напряжением 1 кВ, при использовании отдельного датчика для каждой фазы, и соответствует следующей спецификации. Рабочий диапазон входного тока 40-160 А, с учетом пропорциональности, то есть функциональной зависимости от одной переменной, которая может быть нелинейной, либо частично или полностью линейной, либо логарифмической в пределах подходящего диапазона выходных частот, при условии взаимодействия с аналитическим блоком системы индикации коротких замыканий и надежной регистрации им импульсов в пределах этого частотного интервала, причем подходящий частотный интервал может быть 50-180 кГц для высокого разрешения, а также для надежного приема современными доступными компонентами приемника.

Как показано на фиг.3, цепь 2220 датчика также включает контур 2224 сигнализации об исправности датчика для формирования сигнала AS исправности датчика, частота импульсов Pf_AS которого задана и относительно низка по сравнению с частотой импульсов Pf_CS сигнала величины тока CS₁, например от одного импульса в 0.1 секунды до одного импульса каждые 10 секунд, предпочтительно порядка одного импульса в секунду.

Цепь датчика также содержит контур 2226 сигнализации о потере напряжения, который предпочтительно может быть объединен с контуром 2224 сигнализации об исправности датчика, для измерения напряжения в проводнике электростатическим способом, и предназначен для формирования неэлектрического волнового сигнала в качестве сигнала потери напряжения или импульсного сигнала VLS, присутствие которого указывает, что напряжение в проводнике ниже заданного минимального значения напряжения после заданного интервала времени, который предпочтительно короче периода сигнала исправности датчика, и составляет, например, 200 мс. Это может быть специальный одиночный импульсный сигнал, отличающийся от других сигналов датчика тока, чтобы детектор мог различить их.

Как показано на фиг.3, цепь 2220 датчика также содержит контур 2228 индикации направления потока мощности. Ниже описаны два различных варианта выполнения. Вариант 2228А передает информацию об измеренных напряжениях для последующего вычисления направления потока мощности в аналитическом блоке 5, например, посредством двух различных импульсных сигналов, каждый из которых имеет свою частоту импульсов Pf_PA и Pf_PP, причем один сигнал соответствует фазе, а другой - полярности измеренного напряжения, при этом импульсные сигналы излучаются вышеупомянутым передатчиком неэлектрического волнового сигнала.

Во втором варианте выполнения направление потока мощности определяют в цепи датчика с формированием особого двоичного импульсного сигнала, значения которого основаны на непрерывном определении направления тока. Другие способы сигнализации о направлении потока мощности, известные специалистам, также могут быть использованы для передачи в аналитический блок 5. Соответственно, аналитический блок 5 выполнен с возможностью выделения и преобразования этих импульсных сигналов в направление потока мощности (которое двоично в том смысле, что ток течет в одном или в другом направлении во время короткого замыкания) и отображения направления потока с помощью соответствующего средства (не показано). Так, направление короткого замыкания может быть указано обслуживающему персоналу для простого и быстрого ремонта.

Контуры 2222, 2224, 2226, 2228 могут быть объединены, в частности, контур 2224 и контур 2226 сигнализации о потере напряжения могут быть выполнены вместе, при этом контур сигнализации о потере напряжения также может использовать усилитель напряжения контура 2224 сигнализации об исправности датчика, для надежной сигнализации о потере напряжения. Кроме того, в целях снижения энергопотребления в цепь датчика может быть включен контур энергосбережения. Согласно настоящему изобретению могут иметься дополнительные контуры измерения вспомогательных электрических параметров проводника для обработки, распознавания и/или индикации приемником 51 и аналитическим блоком 5, а заявляемый датчик тока может быть использован для других целей, а не только в описываемой системе индикации коротких замыканий.

Далее, датчик может быть выполнен как моноблок (см. фиг.1 и 2), в этом случае получают блок с низким энергопотреблением, пригодный для использования в описываемой системе индикации.

Очевидно, учитывая, что индикатор может быть выполнен с возможностью принимать почти мгновенные значения тока в реальном времени и, возможно, значения напряжения, индикатор также может быть предназначен для отображения значения и/или уровня фактической мощности, то есть ее среднего значения и/или реактивной мощности в отслеживаемом проводнике, если при этом также измерены фазы тока/напряжения.

Кроме того, система индикации может быть выполнена в интегрированной форме (не показана), что может быть предпочтительно, в частности, в системах низкого напряжения, где не требуется высоковольтная электрическая изоляция, и в этом случае для монтажа всей системы индикации с одним или более датчиками может потребоваться лишь одна монтажная операция.

При использовании системы способ быстрой индикации текущего состояния электрических процессов в проводнике переменного тока содержит шаги, на которых:

- измеряют ток заявляемым датчиком тока, присоединенным к электрическому проводнику;

- преобразуют результат измерения тока в импульсный сигнал тока, частота которого пропорциональна измеренному току;

- передают импульсный сигнал тока в аналитический блок для преобразования в мгновенное значение тока и применения в распознавании состояния проводника, например, для вычисления мгновенного значения тока, распознания коротких замыканий, срабатываний релейной защиты, скачков напряжения и подобных.

Одним из характерных состояний является короткое замыкание, для распознавания которого данный способ дополнительно содержит шаги, на которых:

- определяют, превышает ли импульсный сигнал тока заданный порог,

- и если превышает, то после заданного периода времени измеряют напряжение на проводнике,

- и если напряжение ниже заданного минимального значения, то указывают, что в этом проводнике возникло короткое замыкание.

Результаты испытаний

Испытания проводились с датчиком тока по фиг.1, с цепью датчика согласно фиг.4.

Фиг.5А-5Е показывают сигнал от датчика тока, показывающий фактический ток в проводнике и соответствующий ему частотный сигнал от передающего светодиода датчика тока.

На фиг.5А показан график измеренного тока в проводнике, то есть синусоида с частотой примерно 50 Гц, с нулем в горизонтальной линии, обозначенной «2>», и соответствующий оптический частотный выходной сигнал светодиода, с нулем в горизонтальной линии, обозначенной «1>», причем каждое деление оси Х соответствует 5 мс. На фиг.5В в увеличенном масштабе показано изображение фиг.1, более подробно показаны входной и выходной сигналы датчика тока, причем каждое деление оси Х соответствует 2,5 мс. На графике видно, что ступенчатый оптический выход фактически состоит из цуга оптических импульсов, частота которых намного выше частоты измеряемого переменного тока.

На фиг.5А и 5В также видно, что информация о полярности фактического сигнала тока показана в форме двух различных уровней интенсивности света, излучаемого светодиодом. Отрицательные токи в действительности отличаются от положительных токов максимальной высотой оптических частотных импульсов, причем первый, как правило, ниже последнего. Это позволяет различать полярность мгновенного измеренного тока, что также может отображаться аналитическим блоком 5.

На фиг.5С еще подробнее представлены входной и выходной сигналы датчика тока в увеличенном масштабе, где каждое деление оси Х соответствует 1 мс. Здесь ясно видно, что мгновенное значение величины тока может кодироваться частотой, то есть числом световых импульсов за некоторый период времени, то есть за 1 мс в случае фиг.5С.

На фиг.5D и 5Е показан передний фронт наложения серии отдельных импульсов, показанных на фиг.5А, 5В и 5С, причем фронты всех сигналов наложены друг на друга. Увеличенный масштаб изображения здесь составляет 1 мкс и 250 нс соответственно для каждого деления на оси X. Задний фронт первого импульса показывает, что ширина каждого импульса (левый импульс на графике) может отличаться таким образом, что чем выше значение мгновенного тока в измеряемом проводнике, тем шире излучаемый световой импульс, и наоборот.

Это происходит из-за разброса времени разряда конденсаторов в цепи датчика. Также видно, что последующие импульсы (правый импульс) также могут следовать с различными интервалами за их предшествующими импульсами, и это также вызвано разбросом параметров компонентов схемы. Соответственно, более подробная информация о значениях тока может быть передана расстоянием между двумя импульсами и/или шириной каждого отдельного импульса. Соответственно, обеспечено измерение такого малого тока, который соответствует двум и даже одному импульсу за период измерения (1 мс), что представляет собой весьма существенное усовершенствование по сравнению с известными системами индикации.

Очевидно, что динамический диапазон датчика тока, то есть рабочий диапазон измеряемых токов, преобразуемый к выходному частотному диапазону, может быть задан с учетом предполагаемого применения. Дальнейшие испытания показали, что динамический диапазон порядка 1-500 А, включая диапазон, в котором активна функция исправности датчика, достижим для заявляемого датчика тока, причем этот диапазон, очевидно, может быть сдвинут вверх или вниз, как требует диапазон измеряемых токов, путем соответствующего подбора компонентов цепи датчика. Испытания показывают, что достижимое соотношение между минимальным и максимальным значениями тока в общем составляет 1:100.

В общем случае выбор широкого динамического диапазона обнаружения тока, например, от 1:10 до 1:200, в зависимости от используемых трансформатора и компонентов, приводит к увеличению стоимости системы, и наоборот. Соответственно, может быть выбран фактически любой целесообразный динамический диапазон измерения тока. Например, для заявляемого датчика тока для линий электропередачи высокого напряжения может быть выбран широкий динамический диапазон, для линий среднего напряжения может быть выбран средний динамический диапазон, и для линий низкого напряжения может быть выбран узкий динамический диапазон, и наоборот. Такой выбор также непосредственно отражается на физическом размере датчика тока, который зависит от размера трансформатора.

Заявляемая система индикации может также содержать датчик температуры (не показан), например, аналитический блок 5 может содержать такой датчик температуры для отображения этого параметра с целью обнаружения других аварийных состояний проводника, таких, например, как электрическая дуга или пожар вблизи системы индикации.

В заявляемой системе индикации аналитический блок дополнительно содержит средство отображения и/или средство передачи для удаленной индикации измеренного напряжения, и/или фазы, и/или мощности.

Было найдено еще одно применение заявляемых датчика и системы индикации. Измерение почти мгновенных значений тока даже дает уникальную возможность оценки качества тока и/или напряжения в проводнике, если обеспечено дополнительное измерение напряжения. Качество тока или напряжения в проводнике может быть определено как степень, до которой результирующая кривая сигнала соответствует идеальной синусоиде. Чем выше эта степень, тем лучше, потому что несинусоидальная кривая свидетельствует о потерях энергии или других неисправностях в проводнике. В одном из вариантов выполнения аналитический блок выполнен с возможностью оценки рядов мгновенных значений тока и/или напряжения и корреляции с ожидаемой синусоидальной формой, причем система индикации может производить такие измерения в одном или более отслеживаемом проводнике.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения тока в проводнике в режиме реального времени, в частности в системе индикации коротких замыканий, измерения мгновенных значений тока, активной и реактивной мощности, фазы, полярности. Согласно изобретению датчик содержит детектор тока в составе трансформатора тока, монтируемого с проводником, и цепи датчика, содержащей передатчик неэлектрического волнового сигнала, причем цепь датчика содержит контур преобразования тока в частоту. Предложена также система индикации для проводника, которая содержит датчик тока, линию связи, средства для измерения напряжения в проводнике, аналитический блок для измерения частоты импульсного сигнала величины тока и преобразования ее в ток, пропорциональный частоте сигнала тока, детекторы пороговых тока и напряжения, индикаторы состояний электрических процессов в проводнике при срабатывании детектора порогового напряжения. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия, надежности и экономичности системы измерения переменного тока в проводниках линий электропередач. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Датчик (22, 24, 26) переменного тока для измерения, по существу, в реальном времени величины переменного тока в проводнике и для генерации неэлектрического волнового сигнала как выходного, причем неэлектрический волновой сигнал содержит последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величине измеренного тока, при этом датчик тока содержит:
- детектор тока с индуктивным трансформатором (2210) тока, предназначенным для установки смежно с проводником, детектор тока питает датчик тока;
- цепь (2220) датчика с контуром (2222) индикации величины тока, содержащим преобразователь тока в частоту, предназначенный для формирования неэлектрического волнового сигнала в качестве импульсного сигнала (CS₁) величины тока, по существу, в реальном времени, с частотой (Pf_CS) импульсов, пропорциональной величине тока в проводнике, при условии, что величина находится в заданном диапазоне (I₁-I₂);
- и при этом цепь (2220) датчика дополнительно содержит передатчик (2230) неэлектрического волнового сигнала в качестве выхода, причем указанная цепь (2220) и передатчик (2230) дополнительно предназначены для формирования по меньшей мере еще одного неэлектрического волнового сигнала, представляющего собой сигнал (POS) полярности тока.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что частота (Pf_CS) импульсов сигнала (CS₁) величины тока находится в пределах заданного частотного диапазона, причем этот частотный диапазон выбран с расчетом взаимодействия с системой индикации с целью отображения состояний электрических процессов в проводнике, таких как состояние короткого замыкания.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что цепь датчика дополнительно содержит:
- контур (2224) сигнализации об исправности датчика, предназначенный для формирования неэлектрического волнового сигнала в качестве сигнала (AS) исправности датчика, который извещает об исправности датчика, в частности, когда ток в проводнике ниже заданного диапазона токов (I₁-I₂);
- контур (2226) сигнализации о потере напряжения для измерения напряжения в проводнике электростатическим способом, который предназначен для генерации неэлектрического волнового сигнала в качестве сигнала (VLS) потери напряжения, наличие которого указывает, что напряжение в проводнике ниже заданного минимального значения напряжения по истечении заданного интервала времени после установления того, что ток ниже заданного диапазона токов, причем этот заданный интервал времени предпочтительно короче периода сигнала исправности датчика, и составляет, например, 50-500 мс;
- контур (2228А) сигнализации о направлении потока мощности для передачи сигнала (PAS) фазы и сигнала (POS) полярности через вышеуказанный передатчик неэлектрического волнового сигнала;
- контур (2228В) сигнализации о направлении потока мощности для передачи характерного сигнала (BS) направления потока, показывающего направление потока мощности, через передатчик неэлектрического волнового сигнала;
- причем контур сигнализации об исправности датчика и контур сигнализации о потере напряжения объединены и служат для формирования по меньшей мере сигнала (VLS) потери напряжения в форме по меньшей мере одного характерного импульсного сигнала.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что частота (Pf_AS) импульсов сигнала (AS) исправности датчика задана и относительно низка по сравнению с частотой (Pf_CS) импульсов сигнала (CS₁) величины тока, и лежит, например, в диапазоне от одного импульса в 0,1 с до одного импульса в 10 с, предпочтительно порядка одного импульса в секунду.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что передатчик неэлектрического волнового сигнала представляет собой одно или больше устройство для всех импульсных и/или иных сигналов, например по меньшей мере один светодиод, излучающий оптический сигнал в качестве неэлектрического волнового сигнала.

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что передатчик неэлектрического волнового сигнала представляет собой отдельное устройство для каждого сигнала, причем каждый из сигналов имеет отличную от других частотную полосу, и/или амплитуду, и/или ширину, и/или высоту импульса.

7. Датчик по любому из пп.1-6, предназначенный для:
- использования на линиях электропередачи переменного тока в сети распределения электроэнергии или железнодорожной сети;
- и для измерения на нескольких проводниках, например, для определения утечки на землю в нагрузках посредством разностного анализа.

8. Система индикации (1) для электрического проводника, содержащая датчик (22, 24, 26) переменного тока по любому из пп.1-7.

9. Система индикации по п.8, дополнительно содержащая:
- электрически изолированную линию (32, 34, 36) связи для передачи по меньшей мере неэлектрического волнового сигнала от датчика тока;
- аналитический блок (5), предназначенный для измерения по меньшей мере частоты по меньшей мере импульсного сигнала (CS₁) величины тока от датчика тока и преобразования его, по существу, в мгновенное значение тока для применения в распознавании различных состояний электрических процессов в проводнике, например, мгновенного значения тока, возникновения коротких замыканий, срабатываний релейной защиты, скачков напряжения и т.п.

10. Система индикации по любому из пп.8 и 9, дополнительно содержащая:
- средство (40, 2240) измерения напряжения для измерения напряжения в проводнике;
- детектор порогового напряжения, предназначенный для определения того, что напряжение, измеренное средством (40; 2240) измерения напряжения, ниже заданного порогового напряжения (V_min) по истечении заданного интервала времени (I₁) после срабатывания детектора порогового тока;
- детектор порогового тока, предназначенный для определения того, превышает ли ток, соответствующий частоте импульсного сигнала (CS), величину тока, заданного пороговым током (I_max);
- индикатор (532, 534, 536) короткого замыкания, предназначенный для извещения о возникновении короткого замыкания в проводнике на основании порогового измерения тока указанным образом;
- по существу, постоянный источник питания для аналитического блока (5) во время его работы;
- средство (560) перезапуска индикатора, снабженное средством (570) удаленного перезапуска;
- датчик температуры;
- индикатор (540) исправности датчика, который действует, в частности, когда ток в проводнике ниже заданного диапазона токов (I₁, I₂);
- указатели величины тока и направления потока мощности.

11. Система индикации по п.9, отличающаяся тем, что аналитический блок (5)
расположен на расстоянии от датчика (22, 24, 26) тока
или объединен с датчиком (22, 24, 26) тока.

12. Система индикации по п.9, отличающаяся тем, что аналитический блок (5) вырабатывает ток, соответствующий частоте импульсного сигнала тока как среднее или среднеквадратическое значение тока, полученное преобразованием непрерывно получаемых серий импульсов, отражающих ток в режиме реального времени.

13. Система индикации по п.9, отличающаяся тем, что аналитический блок (5) содержит:
- датчик температуры;
- и средство дистанционного отображения и/или средство передачи на расстояние измеренного тока, и/или напряжения, и/или фазы, и/или мощности, и/или качества напряжения и/или тока, и/или полярности, и/или другого значения, вычисляемого на основе любого из этих параметров.

14. Система индикации по п.9, отличающаяся тем, что индикатор короткого замыкания находится на расстоянии от аналитического блока (5) для дистанционного отображения одного или больше состояния электрических процессов, например короткого замыкания, для чего, например, имеет цифровой интерфейсный модуль (580) связи с удаленным компьютером с целью отображения состояния электрических процессов, например состояния короткого замыкания и/или других параметров, а также перезапуска системы.

15. Система индикации по п.9, отличающаяся тем, что регулируемое устройство задания порогового тока снабжено средством (580) для дистанционного задания регулируемого порогового тока.