СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕСУРСА ВАРИСТОРА С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ Российский патент 2024 года по МПК G01R19/00 G01R21/133 G01R31/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности, к измерительным устройствам, которые могут использоваться для оценки ресурса варисторов и устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), имеющих в своем составе варисторы.

Уровень техники

Из патента RU134663 известно устройство контроля ресурса варистора в составе УЗИП, которое содержит датчик тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислительное устройство. Датчик тока формирует напряжение, соответствующее току, протекающему через варистор в УЗИП и проводник, соединенный с УЗИП, на котором установлен датчик тока. АЦП преобразует аналоговое напряжение в цифровой сигнал и подает его в вычислительное устройство.

Вычислительное устройство производит оценку остаточного ресурса варистора в УЗИП следующим способом. Вычислительное устройство определяет заряд, прошедший через УЗИП, как интеграл тока по времени, пересчитывает измеренное значение заряда в выработанную часть ресурса и вычисляет остаточный ресурс УЗИП. Такой способ оценки ресурса варистора, входящего в состав УЗИП, обладает низкой точностью ввиду того, что не учитываются нелинейные свойства варистора и напряжение на варисторе.

Поверхностно описанная в патенте RU134663 модификация вышеуказанного способа использует для оценки ресурса удельную энергию, определяемую как полную поглощенную варистором энергию, поделенную на сопротивление варистора. Эта модификация способа оценки также не учитывает нелинейные свойства варистора и напряжение на варисторе ввиду полного их исключения из удельной энергии, поскольку заданная таким образом удельная энергия в соответствии с патентом RU134663 соответствует интегралу квадрата тока по времени.

Поскольку использование интеграла по времени квадрата тока не имеет качественного преимущества перед применением интеграла по времени тока в первой степени, но при этом требует повышенных вычислительных затрат, в прототипе для оценки ресурса варистора учитывают протекающий через него заряд. Однако даже если бы способ основывался на учете удельной поглощенной энергии, это не увеличило бы точность способа оценки ресурса УЗИП, поскольку не учитываются нелинейные свойства варистора.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение точности оценки выработанного и/или остаточного ресурса варистора, в том числе используемого в УЗИП, за счет учета нелинейных свойств варистора.

Задача решается способом контроля ресурса варистора, содержащим следующие шаги. Определяют силу тока, протекающего через варистор. Далее определяют выработанный варистором ресурс на основе определенной силы (величины) тока, протекающего через варистор. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что при определении выработанного варистором ресурса используют коэффициент, имеющий возрастающую зависимость величины от силы тока.

Коэффициент могут используют путем умножения на него определённого выработанного варистором ресурса и/или путем умножения на него определенной силы тока. В некоторых вариантах коэффициент может зависеть от отношения величины энергии, поглощенной варистором, к максимально допустимой величине, которую может поглотить варистор. Коэффициент предпочтительно является нелинейным. Нелинейный коэффициент может иметь следующую зависимость:

,

где W – поглощенная варистором энергия; W₀ – рабочий ресурс варистора.

Выработанный варистором ресурс в некоторых вариантах могут определять путем интегрирования по времени силы тока, протекающего через варистор, умноженной на величину напряжения на варисторе, определенного по вольтамперной характеристике (ВАХ) варистора. Для этого способ может иметь предварительный шаг определения ВАХ варистора. ВАХ варистора может быть задана в виде математической зависимости напряжения на варисторе от тока, протекающего через варистор. Например, математическая зависимость может иметь вид или U=AI^a или I=BU^b, где U – напряжение на варисторе, I – ток, протекающий через варистор, А и В – коэффициенты, имеющие характерные значения для различных варисторов, b – коэффициент нелинейности, a=1/b - показатель нелинейности. Кроме того, ВАХ варистора может быть задана в табличном виде.

В другом варианте выработанный варистором ресурс может определяться путем интегрирования по времени квадрата силы тока, протекающего через варистор, умноженной на величину сопротивления варистора, определенного по величине тока, протекающего через варистор. Сопротивление варистора могут определять как отношение напряжения на варисторе, определенного по ВАХ варистора исходя из тока, протекающего через варистор, к величине тока, протекающего через варистор. Кроме того, сопротивление варистора могут определять исходя из силы тока, протекающего через варистор, по зависимости сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор. Зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, может быть определена экспериментально или с использованием вольтамперной характеристики варистора. Зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, может быть задана в табличном виде.

В других вариантах выработанный варистором ресурс могут определять путем интегрирования по времени силы тока, протекающего через варистор, или путем интегрирования по времени квадрата силы тока, протекающего через варистор.

Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют выработанный ресурс варистора путем интегрирования за весь период контроля ресурса варистора.

Способ по п. 1, отличающийся тем, что поглощенную варистором энергию определяют для каждого импульса тока, прошедшего через варистор, путем интегрирования в течение длительности импульса тока, а выработанный ресурс варистора определяют путем суммирования поглощенных варистором энергий для всех импульсов тока, прошедших через варистор за весь период контроля ресурса варистора.

Способ по п. 18 или 19, отличающийся тем, что дополнительно определяют остаточный ресурс варистора путем вычитания из максимально допустимой величины энергии, которую может поглотить варистор, определенный выработанный ресурс варистора.

Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержит предварительный шаг определения максимально допустимой величины энергии, которую может поглотить варистор.

Задача настоящего изобретения также решается с помощью устройства контроля ресурса варистора, содержащего датчик тока, АЦП и вычислительное устройство. Датчик тока выполнен с возможностью формирования аналогового напряжения, соответствующего току, протекающему через варистор. АЦП соединено с датчиком тока и выполнено с возможностью преобразования аналогового величины, соответствующей аналоговому напряжению, сформированному датчиком тока, в цифровой сигнал. Вычислительное устройство соединено с АЦП и выполнено с возможностью оценки ресурса варистора в соответствии с вышеописанными способами контроля ресурса варистора, причем величина тока, протекающего через варистор, определяется на основе цифрового сигнала, сформированного АЦП и соответствующего току, протекающему через варистор.

АЦП может быть соединено с датчиком тока непосредственно или через элементы и/или модули, осуществляющие преобразование величины аналогового напряжения, формируемого датчиком тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими преобразование величины аналогового напряжения, формируемого датчиком тока. В частности, аналоговое напряжение, формируемое датчиком тока, может поступать на АЦП через выпрямитель, который может быть, например, прецизионным, дифференциальным или другим, в том числе с высокоомным или другим выходом.

Вычислительное устройство может быть соединено с АЦП непосредственно или через элементы или модули, осуществляющие преобразование цифровой величины, формируемого датчиком тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими преобразование физической величины или цифровой величины цифрового сигнала, сформированного АЦП.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности оценки выработанного и/или остаточного ресурса варистора для более точного контроля (в смысле проверки, наблюдения, сбора сведений, мониторинга) ресурса варистора. Технический результат достигается за счет учета нелинейных характеристик варистора, отраженных в его ВАХ, и напряжения на варисторе, оцениваемого с использованием ВАХ варистора по величине протекающего через него тока. Благодаря более точной оценке ресурса варистора удается повысить эффективность использования варисторов и УЗИП с варисторами при снижении рисков для оборудования, защищаемого варисторами и УЗИП с варисторами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема подключения варистора и блок-схема одного из вариантов осуществления устройства по изобретению.

На фиг. 2 показан пример ВАХ варистора.

На фиг. 3 показан пример графика нелинейного коэффициента, используемого для оценки выработанного ресурса варистора.

Осуществление изобретения

Далее изобретение описано по отношению к частным вариантам реализации, которые даны в целях пояснения изобретения и не предназначены для ограничения объема охраны, определяемого формулой изобретения.

Варистор — это нелинейный резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. Варистор обладает нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой (ВАХ) и имеет два вывода. Как показано на фиг. 1, варистор 2 одним выводом подключается к проводу 1, находящимся под рабочим напряжением U, а другим выводом к заземлению 3. При поступлении на провод 1 импульса перенапряжения 8 приложенное к варистору 2 напряжение возрастает выше уровня классификационного напряжения (то есть напряжения, при котором варистор начинает пропускать ток величиной 1 мА) и варистор резко уменьшает свое сопротивление. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление продолжает уменьшаться. Благодаря этому через варистор с провода 1 в землю 3 протекает импульс тока, а величина перенапряжения 8 резко снижается. Оборудование, подключенное к проводу 1, оказывается защищено от импульса перенапряжения 8.

Основное предназначение варисторов — защита электронных и электроэнергетических систем от импульсных перенапряжений, вызванных воздействием молнии или коммутациями нагрузки. Помимо защиты от внешних воздействий, варисторы предохраняют системы от внутренних перегрузок, возникающих, например, при индуктивных типах нагрузки, искрении, непосредственном подсоединении к высокому напряжению. Благодаря отсутствию сопровождающих токов варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Современные варисторы изготавливают из оксида цинка (ZnO). Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней и других форм. Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов оксида цинка (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Однако повышение температуры кристаллов приводит к их спеканию, что ухудшает нелинейные свойства варистора, обеспечивающие защиту от перенапряжений. Нагрев варистора зависит от поглощенной энергии при протекании через него импульса тока – чем больше поглощенная энергия, тем больше кристаллов спеклось, что в конечном итоге приводит к выходу варистора из строя, поскольку он больше не имеет нелинейных свойств и не может обеспечивать защиту от перенапряжений. Таким образом, варистор имеет рабочий ресурс, который расходуется при прохождении через него импульсов тока и в данном изобретении представляющий собой максимально допустимое количество энергии, которую может поглотить варистор, после чего потребуется его замена.

Одной из основных задач защиты от импульсных перенапряжений является своевременная замена варисторов или УЗИП, использующих варисторы. Настоящее изобретение направлено на повышение точности оценки ресурса варистора. В частности, может оцениваться израсходованный ресурс варистора как количество эквивалентной энергии, поглощенной варистором. Превышение израсходованным (выработанным) ресурсом определенной величины, которая может представлять собой рабочий ресурс варистора, будет указывать на необходимость замены варистора или УЗИП, содержащего варистор.

В другом варианте может оцениваться (определяться) остаточный ресурс варистора, в общем случае определяемый как разность рабочего ресурса варистора (т.е. максимально допустимой величины энергии, например, единичного импульса, которую может поглотить варистор без разрушения) и величины (количества) энергии, поглощенной варистором за время эксплуатации (то есть, выработанного, израсходованного ресурса). Остаточный ресурс варистора показывает, сколько еще осталось ресурса у варистора до его замены – варистор необходимо заменить, когда остаточный ресурс снижается до нуля или становится отрицательной величиной.

В обоих вариантах определения ресурса варистора в соответствии с настоящим изобретением требуется оценка (определение) энергии, поглощенной варистором при прохождении через него импульсов тока. Для этого может использоваться устройство контроля ресурса варистора в соответствии с настоящим изобретением. Контроль ресурса варистора подразумевает его проверку, наблюдение за ним, мониторинг его величины. Блок-схема одного из возможных вариантов такого устройства показана на фиг. 1.

Устройство контроля ресурса варистора содержит датчик тока 4, аналого-цифровой преобразователь 5, вычислительное устройство 6 и модуль передачи данных 7. Датчик тока 4 располагается около провода, по которому с варистора 2 на землю 3 проходит импульс тока, вызванный импульсом перенапряжения 8. Поскольку в рабочем состоянии варистор 2 пропускает ток только при наличии на проводе 1 импульсов перенапряжения 8, датчик тока 4 будет регистрировать только токи, вызванные перенапряжениями.

Датчик тока 4 формирует аналоговое напряжение, соответствующего току, протекающему через варистор 2. Датчик тока может быть выполнен с использованием измерительного токового трансформатора, пояса Роговского, датчика Холла и других элементов, известных из уровня техники и обеспечивающих получение на выходе датчика тока напряжения, соответствующего протекающему через провод, соединенный с варистором, току.

Как показано на фиг. 1, сформированное датчиком тока 4 напряжение поступает в АЦП 4. Для этого АЦП 4 может быть соединено с датчиком тока непосредственно или через элементы и/или модули, осуществляющие преобразование величины аналогового напряжения, формируемого датчиком тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими преобразование величины аналогового напряжения, формируемого датчиком тока. В частности, аналоговое напряжение, формируемое датчиком тока, может поступать на АЦП через выпрямитель, который может быть, например, прецизионным, дифференциальным или другим, в том числе с высокоомным или другим выходом.

АЦП преобразует аналоговую величину, соответствующей аналоговому напряжению, сформированному датчиком тока, в цифровой сигнал. Аналоговая величина может представлять собой аналоговое напряжение, сформированное датчиком тока, непосредственно или измененное в соответствии с тем, с помощью каких модулей или элементов АЦП соединен с датчиком тока. Например, аналоговая величина может соответствовать выпрямленному аналоговому напряжению с датчика тока, если между датчиком тока и АЦП установлен выпрямитель.

АЦП может быть выполнено в виде отдельной микросхемы и располагаться около датчика или вычислительного устройства или входить в состав микросхемы, включающей в себя вычислительное устройство. Цифровой сигнал, получаемый на выходе АЦП, обычно на физическом уровне представляет собой двоичный код, например, в виде дискретных уровней напряжения, которые обозначают 0 или 1. Поскольку АЦП представляют собой многоразрядные устройства, то двоичные коды всех разрядов АЦП совместно могут отображать цифровой сигнал, соответствующий оцифровываемому сигналу датчика, в большом диапазоне. Например, двенадцатиразрядное АЦП может отображать 4096 уровней, то есть, числа от 0 до 4095, которые соответствуют сигналу датчика с коэффициентом, зависящим от цепей, соединяющих датчик с АЦП, и характеристик самого АЦП. Разрядность АЦП может быть самой разной, например, от минимального одного разряда до двадцати четырех и более разрядов.

Цифровой сигнал с АЦП 5 подается в вычислительное устройство 6, для чего они могут быть соединены непосредственно или через элементы или модули, осуществляющие преобразование цифровой величины, формируемого датчиком тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими преобразование физической величины (то есть уровней напряжений, соответствующих 0 или 1) или цифровой величины (то есть последовательности 0 и 1) цифрового сигнала, сформированного АЦП.

Вычислительное устройство может представлять собой один или несколько контроллеров, процессоров, логических схем, микроконтроллеров, микропроцессоров, сигнальных процессоров или других цифровых устройств обработки цифровых данных, известных из уровня техники. Оно может содержать память, в том числе оперативную, постоянную, твердотельную или любую другую память, известную из уровня техники. Вычислительное устройство также может содержать элементы ввода-вывода информации и другие элементы, присущие вычислительным устройствам.

Вычислительное устройство 6 производит оценку ресурса варистора путем осуществления вычислений с использованием цифрового сигнала, сформированного АЦП 5 и соответствующего току, протекающему через варистор 2, то есть, по сути, используя величину тока, протекающего через варистор, определенную с помощью датчика тока.

В одном из предпочтительных вариантов на основании определенной величины тока, протекающего через варистор, по ВАХ варистора определяют величину напряжения на варисторе. Для того, чтобы можно было определить напряжение на варисторе, ВАХ предпочтительно предварительно загружают в память вычислительного устройства и, тем самым, определяют или задают. Пример ВАХ варистора показан на фиг. 2, где видно, что ВАХ варистора имеет сильно выраженный нелинейный характер. До величины напряжения около 650 В сопротивление варистора весьма высоко и через него практически не протекает ток. Когда напряжение на варисторе превышает указанное напряжение, сопротивление варистора начинает уменьшаться и возрастает ток, протекающий через него.

На фиг. 2 также видно, что по величине тока можно однозначно определить напряжение на варисторе. ВАХ варистора может быть задана (определена) в виде математической зависимости напряжения на варисторе от тока, протекающего через варистор. В частности, такая характеристика может иметь вид зависимости

или

U=AI^a

или

I=BU^b,

где U – напряжение на варисторе, I – ток, протекающий через варистор, А и В – коэффициенты, имеющие характерные значения для различных варисторов, b – коэффициент нелинейности, a=1/b - показатель нелинейности. Эти коэффициенты определяют для варистора, ресурс которого будут контролировать, а сама зависимость задается указанной формулой или может иметь вид, похожий или близкий на указанную формулу или ее график.

В других вариантах ВАХ варистора может быть определена в численном или табличном виде, где для каждого значения тока, протекающего через варистор, задано значение напряжения на варисторе. ВАХ у разных варисторов различаются между собой, и они могут быть измерены экспериментально, вычислены или получены из справочников или паспортных данных варисторов, предоставляемых производителями.

После определения величины напряжения на варисторе можно вычислить поглощенную варистором энергию. Она может быть получена путем интегрирования по времени величины тока, протекающего через варистор, умноженной на величину напряжения на варисторе.

В частности, это можно сделать с использованием следующего математического выражения:

,

где W – поглощенная варистором энергия, U(t) – величина напряжения на варисторе в момент времени t, а I(t) – величина тока, протекающего через варистор в момент времени t.

Поскольку вычисления производятся вычислительным устройством в цифровой форме, интегрирование осуществляется также в цифровой форме. Для этого отсчеты напряжения и тока в каждый момент отсчета перемножаются и добавляются к сумме произведений, полученных в предыдущие отсчеты.

Выработанный ресурс можно определять путем интегрирования произведения тока на напряжение за весь период контроля ресурса варистора. В этом случае интегрирование осуществляется начиная с момента включения варистора или устройства контроля ресурса в цепь непрерывно или, в случае отключений рабочих напряжений или питания, с суммированием к последним значениям, полученным до перерыва и сохраненным в памяти устройства.

В другом варианте выработанный ресурс возможно определять путем суммирования поглощенных варистором энергий для всех импульсов тока, прошедших через варистор за весь период контроля ресурса варистора. В этом случае интегрирование произведения тока на напряжение осуществляется для каждого импульса тока, проходящего через варистор, а затем полученные значения поглощенных варистором энергий (или эквивалентных энергий) за каждый импульс, прошедший через варистор, суммируются (предпочтительно для всех импульсов за весь период контроля ресурсов). Такой вариант эквивалентен вышеописанному варианту непрерывного или прерывистого способа определения выработанного ресурса варистора, поскольку по определению в случае отсутствия перенапряжения импульсы тока через варистор не проходят и результат интегрирования в периоды между импульсами будет нулевым – то есть, интегрируются только значения, получаемые при интегрировании во время протекания импульсов тока.

Когда полученная величина выработанного ресурса варистора (т.е. поглощенной им энергии, или эквивалентной энергии) превысит рабочий ресурс варистора, то есть максимально допустимую величину энергии, которая может быть поглощена варистором и которая определена выше, варистор может считаться вышедшим из строя и его необходимо заменить.

В другом варианте на основании определенной силы тока, протекающего через варистор, определяют величину сопротивления варистора. Величина сопротивления варистора на основании силы тока, протекающего по нему, может быть определена с использованием зависимости сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор или с использованием вольтамперной характеристики варистора.

Зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, может быть определена экспериментально. Для этого через варистор пропускают токи разной величины и определяют напряжение на варисторе для каждой силы тока, после чего делят определенные напряжение на варисторе на ток, протекающий через варистор.

Кроме того, зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, возможно определить с использованием вольтамперной характеристики варистора. Для этого на основании ВАХ для каждого значения тока, протекающего через варистор, определяют сначала напряжение на варисторе при таком токе, а затем сопротивление варистора как отношение определенного напряжения к заданному значению тока. В результате такого расчета сопротивления варистора на основе ВАХ для каждого значения тока получают зависимость сопротивления варистора от тока, протекающего через него.

Зависимость сопротивления варистора от тока, протекающего через него, может быть представлена графически. Однако в предпочтительном варианте зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, задана в табличном виде, что позволяет вычислительному устройству использовать эту зависимость напрямую без оцифровки графиков, что снижает вычислительную нагрузку на вычислительное устройство.

В то же время сопротивление варистора может быть определено и без обращения к зависимости сопротивления варистора от тока, протекающего через него. Для этой цели может использоваться ВАХ варистора каждый раз при определении сопротивления. В таком варианте сопротивление варистора определяют как отношение напряжения на варисторе, определенного по вольтамперной характеристике варистора исходя из тока, протекающего через варистор, к величине тока, протекающего через варистор. ВАХ может быть задана и применяться так, как описано выше по отношению к предпочтительному варианту.

После определения величины сопротивления варистора можно вычислить поглощенную варистором энергию. Она может быть получена путем интегрирования по времени квадрата силы тока, протекающего через варистор, умноженного на величину сопротивления варистора.

В частности, это можно сделать с использованием следующего математического выражения:

,

где W – поглощенная варистором энергия, I(t) – величина тока, протекающего через варистор в момент времени t, а R(t) – величина напряжения на варисторе в момент времени t.

Поскольку вычисления производятся вычислительным устройством в цифровой форме, интегрирование осуществляется также в цифровой форме. Для этого отсчеты напряжения и тока в каждый момент отсчета перемножаются и добавляются к сумме произведений, полученных в предыдущие отсчеты.

Выработанный ресурс можно определять путем интегрирования произведения тока на напряжение за весь период контроля ресурса варистора. В этом случае интегрирование осуществляется начиная с момента включения варистора или устройства контроля ресурса в цепь непрерывно или, в случае отключений рабочих напряжений или питания, с суммированием к последним значениям, полученным до перерыва и сохраненным в памяти устройства.

В другом варианте выработанный ресурс возможно определять путем суммирования поглощенных варистором энергий для всех импульсов тока, прошедших через варистор за весь период контроля ресурса варистора. В этом случае интегрирование произведения тока на напряжение осуществляется для каждого импульса тока, проходящего через варистор, а затем полученные значения поглощенных варистором энергий (или эквивалентных энергий) за каждый импульс, прошедший через варистор, суммируются (предпочтительно для всех импульсов за весь период контроля ресурсов). Такой вариант эквивалентен вышеописанному варианту непрерывного или прерывистого способа определения выработанного ресурса варистора, поскольку по определению в случае отсутствия перенапряжения импульсы тока через варистор не проходят и результат интегрирования в периоды между импульсами будет нулевым – то есть, интегрируются только значения, получаемые при интегрировании во время протекания импульсов тока.

Когда полученная величина выработанного ресурса варистора (т.е. поглощенной им энергии, или эквивалентной энергии) превысит рабочий ресурс варистора, то есть максимально допустимую величину энергии, которая может быть поглощена варистором и которая определена выше, варистор может считаться вышедшим из строя и его необходимо заменить.

В дополнительных вариантах определения выработанного ресурса варистора, соответствующих методам, известным из уровня техники, выработанный варистором ресурс можно определять путем интегрирования по времени силы тока, протекающего через варистор, т.е. по формуле

,

или путем интегрирования по времени квадрата силы тока, протекающего через варистор, т.е. по формуле

.

Согласно этим методам из уровня техники в качестве выработанного ресурса варистора определяется заряд Q, прошедший через варистор, или удельная энергия W/R, поглощенная варистором (т.е. энергия, поделенная на сопротивление варистора).

Поскольку эти методы не учитывают нелинейный характер сопротивления варистора, они имеют значительные недостатки перед способами определения энергии (или эквивалентной энергии) с учетом нелинейных свойств варистора, например, его ВАХ. В то же время эти методы из уровня техники также могут применяться для определения выработанного ресурса варистора с учетом их недостатков.

Определение энергии, поглощенной варистором (или, иными словами, выработанного ресурса) с учетом нелинейных свойств ВАХ варистора при определении напряжения повышает точность оценки ресурса варистора, как выработанного, так и остаточного, по сравнению с уровнем техники, в котором учитывается удельная поглощенная энергия (определяемая через интеграл квадрата тока) или прошедший через варистор заряд (определяемый через интеграл тока). Это происходит благодаря тому, что при больших токах напряжение на варисторе увеличивается не прямо пропорционально величине тока, а в меньшей пропорции, в соответствии с ВАХ, что приводит к уменьшению рассчитываемой величины при больших токах.

В то же время в уровне техники расчет удельной энергии или заряда не приводит к уменьшению рассчитываемой величины при больших токах, поскольку не учитывается нелинейность ВАХ при больших токах и ток вносит свой вклад в рассчитываемую величину как есть при расчете заряда или даже с большим вкладом при расчете удельной энергии как квадрата тока, поскольку вклад от тока не подавляется при росте тока, а наоборот, увеличивается ввиду умножения на тот же возросший ток.

Следовательно, без учета ВАХ рассчитанная в уровне техники величина будет показывать повышенный расход ресурса при больших токах и/или пониженный расход ресурса при малых токах. Благодаря учету ВАХ рассчитываемая поглощенная варистором энергия в соответствии с настоящим изобретением будет давать более точную оценку ресурса варистора как при больших, так и малых токах, проходящих через варистор.

В предпочтительном варианте выработанный ресурс определяют с учетом того, что импульсы тока небольшой величины, то есть меньше величины максимально допустимой величины импульса тока, расходуют ресурс варистора не на ту величину прошедшей через варистор (и поглощенной им) энергии, которая была определена, а меньше, поскольку варистор не разогревается так сильно, как при максимальном импульсе, и спекание частиц варистора происходит менее интенсивно.

Поскольку спекается меньше частиц, при прохождении даже нескольких небольших импульсов тока у варистора остается больше ресурса, чем у одного импульса, но большого. Это значит, что в тех случаях, когда суммарная энергия нескольких небольших импульсов тока, поглощенная варистором и вычисленная вышеописанным способом, достигает величины рабочего ресурса (то есть энергии, поглощенной варистором при прохождении импульса тока максимально допустимой величины), у варистора еще остается ресурс, который возможно использовать для защиты оборудования и варистор заменять рано. Однако при прохождении импульса тока максимально допустимой величины ресурс варистора тратится в полной мере. Таким образом, для более точного определения израсходованного (выработанного) и/или остаточного ресурса варистора необходимо уменьшать учитываемую поглощенную варистором энергию в случае прохождения через него импульса с величиной меньше, чем максимально допустимая, исходя из которой и определяют рабочий ресурс варистора.

В соответствии с вышесказанным, еще более точный контроль ресурса варистора осуществляется с помощью коэффициента, имеющего возрастающую зависимость величины от силы тока. Предпочтительно этот коэффициент имеет значения меньше единицы, то есть является уменьшающим. Благодаря такому коэффициенту вклад в рассчитываемый расход ресурса варистора токов меньшей величины дополнительно уменьшают по сравнению со вкладом токов большей величины.

Коэффициент может быть нелинейным, то есть возрастать с увеличением тока нелинейно, например, как показано на фиг. 3. В других вариантах коэффициент может быть линейным, то есть возрастать с увеличением тока по линейной зависимости.

В предпочтительном варианте коэффициент может зависеть от отношения величины энергии, поглощенной варистором, к максимально допустимой величине, которую может поглотить варистор. Расчет энергии, поглощенной варистором, предпочтительно происходит с учетом нелинейных свойств варистора, например, его ВАХ или зависимости сопротивления варистора от тока, протекающего через него (эти варианты описаны выше).

Полученная в результате величина будет соответствовать эквивалентной энергии, поглощенной варистором, которая будет более точно соответствовать израсходованному ресурсу варистора. Когда эта сумма поглощенных эквивалентных энергий, то есть эквивалентного выработанного ресурса, который отличается от ранее описанной величины выработанного ресурса тем, что вычисляется с уменьшающим коэффициентом, превысит рабочий ресурс варистора, то есть максимально допустимую величину энергии, поглощаемую варистором и определяемую, например, как энергию одного импульса максимально допустимой величины, варистор может считаться вышедшим из строя и его необходимо заменить.

В частном варианте после вычисления величины эквивалентной поглощенной варистором энергии ее могут вычитать из максимально допустимой величины энергии, которую может поглотить варистор (то есть рабочего ресурса варистора). Величина, полученная таким образом, может называться эквивалентным остаточным ресурсом варистора, отличающимся от ранее описанной величины остаточного ресурса тем, что вычисляется с уменьшающим коэффициентом. Когда эквивалентный остаточный ресурс варистора станет равным нулю, варистор может считаться вышедшим из строя и его необходимо заменить. Для реализации такого способа необходимо задать (определить) максимально допустимую величину энергии, которую может поглотить варистор (его рабочий ресурс), которую можно получить из экспериментальных или расчетных данных или из справочников или паспортных данных варисторов, предоставляемых производителями варисторов.

Уменьшение ресурса варистора в соответствии с графиком на фиг. 3 рассчитывается в зависимости от того, какую часть от максимально допустимой энергии варистора составляет энергия оцифрованного импульса. Например, если энергия импульса больше или равна максимальной энергии варистора – ресурс варистора считается исчерпанным (уменьшение на 100%). Если энергия импульса равна 80% от максимальной энергии варистора – ресурс варистора уменьшается на 40%. Если же энергия импульса равна 50% от максимальной энергии варистора – ресурс варистора уменьшается на 10%. При энергии импульса менее 10% от максимальной энергии варистора уменьшение ресурса происходит на 1,5%.

Уменьшение ресурса варистора при промежуточных значениях энергии импульсов может быть определено из графика или же используемый нелинейный коэффициент может иметь зависимость, заданную таблично или, например, математически:

,

где W – поглощенная варистором энергия; W₀ – рабочий ресурс варистора.

Эквивалентный ресурс (удельная энергия, заряд, удельная энергия и т.п.), выработанный варистором, может определяться с помощью коэффициента k(I), умножаемого на определённый выработанный варистором ресурс по любому из вышеописанных вариантов. Этим вариантам будут соответствовать следующие математические выражения:

,

,

,

.

По другому способу эквивалентный ресурс (удельная энергия, заряд, удельная энергия и т.п.), выработанный варистором, может определяться с помощью вычисления израсходованного ресурса с использованием величины определенного тока, умноженного на коэффициент. Коэффициент может различаться для разных способов определения израсходованного ресурса, поскольку ток в них входит в первой степени или в квадрате.

Например, если при определении израсходованного ресурса используется величина тока в первой степени, то коэффициент k(I) может быть тем же самым. А если при определении израсходованного ресурса используется величина тока во второй степени, то коэффициент k₁(I) может отличаться и может быть определен как

Таким вариантам будут соответствовать следующие математические выражения:

,

,

,

.

В частных случаях коэффициенты k(I) и k₁(I) могут быть внесены в зависимости, используемые при вычислении поглощенной энергии (с учетом коэффициентов это будут эквивалентные поглощенные энергии), такие как ВАХ и зависимость сопротивления варистора от тока, протекающего через варистор. Для этих эквивалентных зависимостей U_экв(t) и R_экв(t) могут использоваться следующие расчетные выражения:

Благодаря эквивалентным зависимостям U_экв(t) и R_экв(t), учитывающим в себе как нелинейные свойства варистора, представленные ВАХ или зависимостью сопротивления варистора от протекающего через него тока, так и зависимость k(I) или k₁(I) поглощаемой энергии от силы тока k(I) или k₁(I), удается вычислять эквивалентные поглощенные варистором энергии (то есть, выработанный варистором эквивалентный ресурс) с помощью исходных математических выражений:

,

.

В зависимости от используемых вычислительных устройств и методов вычисления, удается не только повысить точность определения выработанного варистором ресурса, но и всего лишь незначительно повысить или оставить на прежнем уровне, в некоторых случаях и понизить объем вычислений, необходимый для определения эквивалентного выработанного ресурса варистора, то есть осуществить экономию вычислительных ресурсов вычислительного устройства.

Полученные в вычислительном устройстве 6 результаты вычислений поглощенной варистором энергии или остаточного ресурса в тех или иных формах могут использоваться локально, на месте установки устройства оценки ресурса варистора, например, путем демонстрации вычисленных показателей на индикаторе, или дистанционно, для чего результаты вычислений могут подаваться из вычислительного устройства 6 в модуль передачи данных 7, который передает данные с использованием сотовой связи или любых других средств и протоколов связи в удаленный пункт сбора данных, где по переданным оценкам ресурсов варисторов могут дистанционно отслеживаться и оцениваться состояния варисторов. В случае выработки ресурса варистора это может быть определено по данным из устройства оценки ресурса варистора на месте или дистанционно и далее может быть принято решение о замене варистора (или УЗИП, использующего варистор).

Изобретение относится к способу контроля ресурса варистора, содержащему шаги определения силы тока, протекающего через варистор, и определения выработанного варистором ресурса на основе определенной силы тока, протекающего через варистор. Отличительным признаком является использование коэффициента, имеющего возрастающую зависимость величины от силы тока, при определении выработанного варистором ресурса. Изобретение также относится к устройству контроля ресурса варистора, содержащему датчик тока, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство и реализующему вышеописанный способ контроля ресурса варистора. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности оценки выработанного и/или остаточного ресурса варистора. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ контроля ресурса варистора, включающий в себя следующие шаги:

определяют силу тока, протекающего через варистор;

определяют выработанный варистором ресурс на основе определенной силы тока, протекающего через варистор;

отличающийся тем, что

при определении выработанного варистором ресурса используют коэффициент, имеющий возрастающую зависимость величины от силы тока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент используют путем умножения на него определенного выработанного варистором ресурса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент используют путем умножения на него определенной силы тока.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент зависит от отношения величины энергии, поглощенной варистором, к максимально допустимой величине, которую может поглотить варистор.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент является нелинейным.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нелинейный коэффициент имеет следующую зависимость:

,

где W – поглощенная варистором энергия; W₀ – рабочий ресурс варистора.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выработанный варистором ресурс определяют путем интегрирования по времени силы тока, протекающего через варистор, умноженной на величину напряжения на варисторе, определенного по вольтамперной характеристике варистора.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что содержит предварительный шаг определения вольтамперной характеристики варистора.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что вольтамперная характеристика варистора задана в виде математической зависимости напряжения на варисторе от тока, протекающего через варистор.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что математическая зависимость имеет вид , или U=AI^a, или I=BU^b, где U – напряжение на варисторе, I – ток, протекающий через варистор, А и В – коэффициенты, имеющие характерные значения для различных варисторов, b – коэффициент нелинейности, a=1/b - показатель нелинейности.

11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что вольтамперная характеристика варистора задана в табличном виде.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выработанный варистором ресурс определяют путем интегрирования по времени квадрата силы тока, протекающего через варистор, умноженной на величину сопротивления варистора, определенного по величине тока, протекающего через варистор.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что сопротивление варистора определяют как отношение напряжения на варисторе, определенного по вольтамперной характеристике варистора исходя из тока, протекающего через варистор, к величине тока, протекающего через варистор.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что сопротивление варистора определяют исходя из силы тока, протекающего через варистор, по зависимости сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, определена экспериментально или с использованием вольтамперной характеристики варистора.

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что зависимость сопротивления варистора от силы тока, протекающего через варистор, задана в табличном виде.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выработанный варистором ресурс определяют путем интегрирования по времени силы тока, протекающего через варистор, или путем интегрирования по времени квадрата силы тока, протекающего через варистор.

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют выработанный ресурс варистора путем интегрирования за весь период контроля ресурса варистора.

19. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поглощенную варистором энергию определяют для каждого импульса тока, прошедшего через варистор, путем интегрирования в течение длительности импульса тока, а выработанный ресурс варистора определяют путем суммирования поглощенных варистором энергий для всех импульсов тока, прошедших через варистор за весь период контроля ресурса варистора.

20. Способ по п. 18 или 19, отличающийся тем, что дополнительно определяют остаточный ресурс варистора путем вычитания из максимально допустимой величины энергии, которую может поглотить варистор, определенный выработанный ресурс варистора.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержит предварительный шаг определения максимально допустимой величины энергии, которую может поглотить варистор.

22. Устройство контроля ресурса варистора, включающее в себя датчик тока, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство,

причем датчик тока выполнен с возможностью формирования аналогового напряжения, соответствующего току, протекающему через варистор,

причем аналого-цифровой преобразователь соединен с датчиком тока и выполнен с возможностью преобразования аналогового величины, соответствующей аналоговому напряжению, сформированному датчиком тока, в цифровой сигнал,

причем вычислительное устройство соединено с аналого-цифровым преобразователем и выполнено с возможностью оценки ресурса варистора в соответствии со способом контроля ресурса варистора по любому из пп. 1-21,

причем вычислительное устройство выполнено с возможностью определения величины тока, протекающего через варистор, на основе цифрового сигнала, сформированного аналого-цифровым преобразователем и соответствующего току, протекающему через варистор.

23. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что аналого-цифровой преобразователь соединен с датчиком тока непосредственно или через элементы и/или модули, выполненные с возможностью преобразование величины аналогового напряжения, формируемого датчиком тока.

24. Устройство по п. 23, отличающееся тем, что аналого-цифровой преобразователь соединен с датчиком тока через выпрямитель.

25. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что вычислительное устройство соединено с аналого-цифровым преобразователем непосредственно или через элементы или модули, осуществляющие преобразование физической величины или цифровой величины цифрового сигнала, сформированного аналого-цифровым преобразователем.