PL220192B1 - Isolated system for the measurement of the high-voltage harmonic electric power signals - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest izolowany układ do pomiaru harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia, przeznaczony do kondycjonowania sygnału napięciowego i zabezpieczania przetwornika analogowo-cyfrowego przed uszkodzeniem w urządzeniach do analizy jakości energii elektrycznej.The subject of the invention is an insulated system for measuring harmonics of high voltage power signals, designed for conditioning the voltage signal and protecting the analog-to-digital converter against damage in devices for analyzing the quality of electricity.

Znany jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P 386587, układ do pomiaru wysokiego napięcia z izolacją galwaniczną, w którym dzielnik reaktancyjny połączony jest z dławikiem kompensacyjnym. Dławik kompensacyjny połączony jest z jednym końcem uzwojenia transformatora bezrdzeniowego, którego drugi koniec połączony jest z dzielnikiem reaktancyjnym. Drugie uzwojenie transformatora bezrdzeniowego połączone jest z opornikiem obciążającym. Dzielnik stanowią co najmniej dwa kondensatory połączone ze sobą szeregowo. Na wejście dzielnika podawane jest wysokie napięcie. Zredukowane napięcie z dzielnika o pojemnościach kondensatorów na tyle dużych, aby wysterować układ dławika i transformatora, podawane jest do dławika, w którym charakterystyka częstotliwościowa układu jest korygowana. Niskie napięcie podane na wejście transformatora zamieniane jest na niskie napięcie izolowane galwanicznie.Known from the Polish patent application P 386587 is a high voltage measurement system with galvanic isolation, in which the reactance divider is connected with a compensation choke. The compensation choke is connected to one end of the coreless transformer winding, the other end of which is connected to the reactance divider. The second winding of the coreless transformer is connected to the load resistor. The divider consists of at least two capacitors connected in series. High voltage is applied to the input of the divider. The reduced voltage from the divider with capacitor capacities large enough to drive the choke and transformer systems is fed to the choke, where the frequency characteristic of the system is corrected. Low voltage at the input of the transformer is converted into a galvanically isolated low voltage.

Znany układ umożliwia pomiar harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia w wąskim paśmie częstotliwości przy pomocy przyrządów niskonapięciowych. Zastosowanie transformatora separującego i dławika ogranicza pasmo częstotliwościowe układu i zniekształca jego charakterystykę fazową, co uniemożliwia dokładny pomiar, zarówno wysokich harmonicznych, jak i subharmonicznych sygnałów elektroenergetycznych. Nadto układ jest wrażliwy na zmienne pola magnetyczne, które mogą generować w nim zakłócenia obarczające wyniki pomiarowe znacznym błędem.The known system enables the measurement of harmonics of high voltage power signals in a narrow frequency band with the use of low voltage devices. The use of an isolating transformer and a choke reduces the frequency band of the system and distorts its phase characteristics, which makes it impossible to accurately measure both high harmonics and subharmonics of power signals. Moreover, the system is sensitive to alternating magnetic fields, which may generate disturbances in it, burdening the measurement results with a significant error.

Istota izolowanego układu do pomiaru harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia według wynalazku polega na tym, że wejście dzielnika stanowią kondensatory: pierwszy i drugi o pojemnościach nie przekraczających 70 pF i napięciach przebicia nie mniejszych od 2 kV, a wyjście dzielnika połączone jest z rezystorami: pierwszym i drugim oraz z wejściem wzmacniacza pomiarowego z tranzystorami polowymi. Kondensatory: pierwszy i drugi połączone są jednymi elektrodami z wyjściami źródła wysokiego napięcia, a drugimi elektrodami z węzłami szeregowo połączonych ze sobą trzech kondensatorów: trzecim, czwartym i piątym. Zakres napięciowy wyjścia układu jest co najmniej 2,5 razy większy od napięcia nominalnego wyjścia. Korzystnie jest, gdy kondensatory: pierwszy, drugi, trzeci, czwarty i piąty są kondensatorami mikowymi. Korzystnie jest, gdy oporność rezystorów: pierwszego i drugiego wynosi 1-10 GQ.The essence of the isolated system for measuring harmonics of high voltage power signals according to the invention consists in the fact that the input of the divider consists of capacitors: first and second with capacities not exceeding 70 pF and breakdown voltages not less than 2 kV, and the divider's output is connected to the first and second resistors. the second and with the input of a measuring amplifier with field-effect transistors. Capacitors: the first and the second are connected with one electrode to the outputs of the high voltage source, and the second electrodes are connected with nodes of three capacitors in series: the third, the fourth and the fifth. The output voltage range of the system is at least 2.5 times the nominal output voltage. Preferably, the first, second, third, fourth and fifth capacitors are mica capacitors. The resistance of the first and second resistors is preferably 1-10 G?

Izolowany układ do pomiaru harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia według wynalazku pozwala badać energię elektryczną pod kątem jej jakości, w szerokim paśmie częstotliwości. Umożliwia precyzyjny pomiar, zarówno wysokich harmonicznych, jak i subharmonicznych sygnału elektroenergetycznego, dzięki temu, że ma szerokie pasmo przenoszenia, począwszy od bardzo niskich częstotliwości. Układ według wynalazku jest układem symetrycznym, odpornym na zmiany faz wysokiego napięcia, dzięki temu, że jest izolowana każda linia podłączona do sieci elektroenergetycznej. Natężenie prądu pobieranego z sieci energetycznej przez układ według wynalazku jest zaniedbywalnie małe, bo nie przekracza 10 μΑ i dlatego nie powoduje uszkodzenia niskonapięciowego przyrządu pomiarowego, nawet przy zakłóceniach udarowych w obwodzie wysokiego napięcia. Kondensatory o bardzo małej pojemności i wysokim napięciu przebicia przesądzają o jakości izolacji galwanicznej całego układu według wynalazku, a tym samym o odporności na uszkodzenia przebiciowe dzielnika. Kondensatory o małych pojemnościach w dzielniku napięciowym, w połączeniu z precyzyjnym wzmacniaczem pomiarowym z tranzystorami polowymi zapewniają płaskie pasmo wzmocnienia i fazy dla szerokiego zakresu częstotliwości obejmującego subharmoniczne, interharmoniczne, harmoniczne i wysokie harmoniczne, począwszy już od bardzo niskich częstotliwości.The isolated system for measuring harmonics of high voltage power signals according to the invention allows testing of electric energy in terms of its quality in a wide frequency band. It enables precise measurement of both high harmonics and subharmonics of the power signal, thanks to the fact that it has a wide frequency response, starting from very low frequencies. The system according to the invention is a symmetrical system, resistant to high voltage phase changes, thanks to the fact that every line connected to the power grid is insulated. The intensity of the current drawn from the power grid by the system according to the invention is negligibly small, as it does not exceed 10 μΑ, and therefore does not damage the low-voltage measuring device, even in the event of surge disturbances in the high-voltage circuit. Capacitors with very low capacity and high breakdown voltage determine the quality of galvanic isolation of the entire system according to the invention, and thus the resistance to breakdown damage of the divider. Low-capacity capacitors in the voltage divider, combined with a precision in-amp with field-effect transistors, provide a flat gain and phase bandwidth for a wide frequency range including subharmonics, interharmonics, harmonics and high harmonics from very low frequencies.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, którego fig. 1 przedstawia schemat ideowy izolowanego układu do pomiaru harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia, a fig. 2 przedstawia charakterystykę częstotliwościową izolowanego układu do pomiaru harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of an isolated system for measuring harmonics of high voltage power signals, and Fig. 2 shows the frequency characteristics of an isolated system for measuring harmonics of high voltage power signals.

Wejście dzielnika układu według wynalazku stanowią dwa kondensatory: pierwszy C1 i drugi C2 o pojemnościach nie przekraczających 70 pF i napięciu przebicia nie mniejszym od 2 kV, które jednymi elektrodami połączone są z wejściami źródła wysokiego napięcia, a drugimi elektrodami z węzłami szeregowo połączonych ze sobą trzech kondensatorów: trzecim C3, czwartym C4 piątym C5. WyjścieThe input of the divider of the circuit according to the invention consists of two capacitors: the first C1 and the second C2 with a capacity not exceeding 70 pF and a breakdown voltage of not less than 2 kV, which are connected with one electrode to the inputs of the high voltage source, and with the other electrodes connected to the nodes in series with three capacitors: third C3, fourth C4, fifth C5. Exit

PL 220 192 B1 dzielnika połączone jest z rezystorami: pierwszym R1 i drugim R2 oraz z wejściem wzmacniacza pomiarowego z tranzystorami polowymi Wp o regulowanym wzmocnieniu napięciowym za pomocą rezystora Rw. Wyjście wzmacniacza pomiarowego połączone jest z rezystorem obciążenia Ro. Wysokie napięcie podawane jest na wejście dzielnika pojemnościowego, a po odseparowaniu galwanicznym od obwodu wysokonapięciowego, napięcie o zredukowanym poziomie podawane jest na wejście wzmacniacza pomiarowego z tranzystorami polowymi Wp, którego punkt pracy ustalany jest za pomocą rezystorów pierwszego R1 i drugiego R2 włączonych na jego wejściach. Wzmocnione napięcie z wyjścia wzmacniacza pomiarowego z tranzystorami polowymi Wp podawane jest na wyjście układu Np. Zakres napięciowy sygnału na wyjściu Np układu jest co najmniej 2,5 razy większy od napięcia nominalnego sygnału na tym wyjściu Np.The divider is connected to the first resistors R1 and the second R2 and to the input of the measuring amplifier Wp with adjustable voltage gain by means of the resistor Rw. The output of the measuring amplifier is connected to the load resistor Ro. The high voltage is fed to the input of the capacitive divider, and after galvanic separation from the high-voltage circuit, the voltage with a reduced level is fed to the input of the measuring amplifier with Wp field transistors, the operating point of which is determined by the first and second resistors R2 connected on its inputs. The amplified voltage from the output of the measuring amplifier with field effect transistors Wp is fed to the output of the circuit. For example, the voltage range of the signal at the output Np of the circuit is at least 2.5 times greater than the nominal voltage of the signal at this output.

W tym samym, szerokim paśmie częstotliwości, zarówno wzmocnienie napięciowe sygnałówIn the same wide frequency band, both voltage amplification of the signals

Wzmocnienie [dB] w funkcji częstotliwości Częstotliwość [Hz], jak i ich przesunięcia fazowe faza [°] w funkcji częstotliwości Częstotliwość [Hz], mają stałą wartość stanowiącą o wiernym odwzorowaniu przebiegów wysokiego napięcia na wyjściu Np układu według wynalazku.The gain [dB] as a function of frequency The frequency [Hz], as well as their phase shifts, phase [°] as a function of frequency. Frequency [Hz], have a constant value which is a faithful representation of high voltage waveforms at the NP output of the system according to the invention.

Claims (3)

1. Izolowany układ do pomiaru harmonicznych sygnałów elektroenergetycznych wysokiego napięcia, w którym pojemnościowy dzielnik napięcia połączony jest na wejściu ze źródłem wysokiego napięcia, a wyjście dzielnika połączone jest z rezystorem obciążającym, znamienny tym, że wejście dzielnika stanowią kondensatory: pierwszy (C1) i drugi (C2) o pojemnościach nie przekraczających 70 pF i napięciach przebicia nie mniejszych od 2 kV, a wyjście dzielnika połączone jest z rezystorami: pierwszym (R1) i drugim (R2) oraz z wejściem wzmacniacza pomiarowego z tranzystorami polowymi (Wp), przy czym kondensatory: pierwszy (C1) i drugi (C2) połączone są jednymi elektrodami z wyjściami źródła wysokiego napięcia (Wn), a drugimi elektrodami z węzłami szeregowo połączonych ze sobą trzech kondensatorów: trzecim (C3), czwartym (C4) i piątym (C5), a zakres napięciowy wyjścia (Np) układu jest co najmniej 2,5 razy większy od napięcia nominalnego wyjścia (Np).1. An isolated system for measuring harmonics of high voltage power signals, in which a capacitive voltage divider is connected at the input to a high voltage source, and the output of the divider is connected to a load resistor, characterized in that the input of the divider consists of capacitors: the first (C1) and the second (C2) with capacities not exceeding 70 pF and breakdown voltages not less than 2 kV, and the output of the divider is connected to the first (R1) and second (R2) resistors and to the input of the measuring amplifier with field effect transistors (Wp), the capacitors : the first (C1) and the second (C2) are connected with one electrode to the outputs of the high voltage source (Wn), and the second electrodes with nodes of three capacitors connected in series: the third (C3), the fourth (C4) and the fifth (C5), and the output voltage range (Np) of the system is at least 2.5 times the nominal output voltage (Np). 2. Izolowany układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kondensatory: pierwszy (C1), drugi (C2), trzeci (C3), czwarty (C4) i piąty (C5) są kondensatorami mikowymi.2. An isolated system according to claim The process of claim 1, wherein the first (C1), second (C2), third (C3), fourth (C4) and fifth (C5) capacitors are mica capacitors. 3. Izolowany układ według zastrz. 1, znamienny tym, że oporność rezystorów: pierwszego (R1) i drugiego (R2) wynosi 1-10 GQ.3. An isolated system according to claim The method of claim 1, wherein the resistance of the first (R1) and second (R2) resistors is 1-10 GQ.