Устройство для регистрации полей в системах электроснабжения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛЕЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ(71) Заявитель Горностай Александр Владимирович(72) Авторы Горностай Александр ВладимировичРолик Юрий АнатольевичГорновский Иван Юрьевич Кульчинский Никита Николаевич(73) Патентообладатель Горностай Александр Владимирович(57) Устройство для регистрации полей в системах электроснабжения, содержащее датчик магнитного поля, выполненный на базе интерферометра Маха-Цендера, в одно из плеч которого помещен световод с нанесенным магнитострикционным материалом, первый дифференциальный усилитель, блок питания, электронный ключ и блок звуковой сигнализации, причем входы первого дифференциального усилителя соединены с выходами датчика магнитного поля, силовой вход электронного ключа подключен к первому выходу блока питания, а выход - к первому входу блока звуковой сигнализации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания, при этом блок звуковой сигнализации выполнен на последовательно соединенных импульсном генераторе и громкоговорителе,77812011.12.30 отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит датчик электрического поля,второй дифференциальный усилитель и элемент ИЛИ, при этом входы второго дифференциального усилителя соединены с выходами датчика электрического поля, выходы обоих дифференциальных усилителей через элемент ИЛИ подключены к управляющему входу электронного ключа, а датчик электрического поля представляет собой также интерферометр Маха-Цендера, в одно из плеч которого помещен световод с сердцевиной из двуокиси кремния с добавкой германия и оболочкой из двуокиси кремния с добавкой фтора и фосфора, причем оболочка световода покрыта пьезоэлектрическим полимером.(56) 1. Патент Латвийской Республики -11384, 1996. 2. Патент РБ 6501 , 2010. 3.., 18, 327, 1982. Полезная модель относится к области техники, осуществляющей измерение возникающих в системах передачи и распределения электроэнергии электрических и магнитных полей под действием протекающих в них токов с помощью полупроводниковых,пьезоэлектрических, магнитострикционных и оптико-волоконных свойств материалов. Известно устройство для регистрации магнитных полей в системах электроснабжения,содержащее датчик магнитного поля, дифференциальный усилитель, блок питания, электронный ключ и блок звуковой сигнализации, причем входы дифференциального усилителя соединены с выходами датчика магнитного поля, а выход подключен к управляющему входу электронного ключа, силовой вход которого подключен к первому выходу блока питания, а выход - к первому входу блока звуковой сигнализации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания, при этом блок звуковой сигнализации выполнен на последовательно соединенных импульсном генераторе и громкоговорителе 1. Недостатком этого устройства является его низкая чувствительность при регистрации малых магнитных полей, возникающих в системах передачи и распределения электроэнергии под действием протекающих в них малых токов утечки, а также под влиянием помех, обусловленных крупногабаритными металлическими конструкциями электроустановок и магнитным полем земли. При этом в процессе использования такого устройства для предупредительной сигнализации обслуживающего персонала при приближении к токоведущим частям электроустановок, находящимся под напряжением, необходимо постоянно подстраивать прибор с целью исключения его ложных срабатываний. Известно также устройство для регистрации магнитных полей в системах электроснабжения, содержащее датчик магнитного поля, выполненный на интерферометре МахаЦендера, в одно из плеч которого помещен световод с нанесенным магнитострикционным материалом, дифференциальный усилитель, блок питания, электронный ключ и блок звуковой сигнализации, причем входы дифференциального усилителя соединены с выходами датчика магнитного поля, силовой вход электронного ключа подключен к первому выходу блока питания, а выход - к первому входу блока звуковой сигнализации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания, при этом блок звуковой сигнализации выполнен на последовательно соединенных импульсном генераторе и громкоговорителе 2 - прототип. Недостатком этого устройства является невозможность использования его для регистрации электрических полей малой напряженности, действующих в электроустановках при отключенной нагрузке. При обслуживании электроустановок нередко возникают такие ситуации, когда нагрузка отключена и ток в цепи не протекает, однако по каким-то при 2 77812011.12.30 чинам подводимое напряжение не отключено и сама электроустановка остается под напряжением. В этом случае велика вероятность попадания обслуживающего персонала под напряжение, что приводит к увеличению электротравматизма. Задача, которую решает данная полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем регистрации электрических полей малой напряженности и в повышении электробезопасности обслуживающего персонала. Это достигается тем, что в устройстве для регистрации полей в системах электроснабжения, содержащем датчик магнитного поля, выполненный на базе интерферометра Маха-Цендера, в одно из плеч которого помещен световод с нанесенным магнитострикционным материалом, первый дифференциальный усилитель, блок питания, электронный ключ и блок звуковой сигнализации, причем входы первого дифференциального усилителя соединены с выходами датчика магнитного поля, силовой вход электронного ключа подключен к первому выходу блока питания, а выход - к первому входу блока звуковой сигнализации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания, при этом блок звуковой сигнализации выполнен на последовательно соединенных импульсном генераторе и громкоговорителе, согласно полезной модели, в устройстве дополнительно содержится датчик электрического поля, второй дифференциальный усилитель и элемент ИЛИ, при этом входы второго дифференциального усилителя соединены с выходами датчика электрического поля, выходы обоих дифференциальных усилителей через элемент ИЛИ подключены к управляющему входу электронного ключа, а датчик электрического поля представляет собой также интерферометр Маха-Цендера, в одно из плеч которого помещен световод с сердцевиной из двуокиси кремния с добавкой германия и оболочкой из двуокиси кремния с добавкой фтора и фосфора, причем оболочка световода покрыта пьезоэлектрическим полимером. На фигуре показана схема устройства для регистрации полей в системах электроснабжения. Устройство содержит датчик магнитного поля 1, дифференциальный усилитель 2, блок питания 3, электронный ключ 4 и блок звуковой сигнализации 5. Электронный ключ 4 включен между дифференциальным усилителем 2 и блоком 5. Входы дифференциального усилителя 2 соединены с выходами датчика 1. Силовой вход электронного ключа 4 подключен к первому выходу блока питания 3, а выход - к первому входу блока 5. Второй вход блока 5 подключен ко второму входу блока питания 3. Блок 5 звуковой сигнализации выполнен на последовательно соединенных импульсном генераторе 6 и громкоговорителе 7. Устройство дополнительно содержит датчик электрического поля 8, второй дифференциальный усилитель 9 и элемент ИЛИ 10. Входы второго дифференциального усилителя 9 соединены с выходами датчика электрического поля 8, выходы обоих дифференциальных усилителей 2 и 9 через элемент ИЛИ 10 подключены к управляющему входу электронного ключа 4. Датчик 1 содержит пьезоэлектрический цилиндр 11, инерционный элемент 12,световоды 13, 14, светодиоды 15, 16 и фотоприемники 17, 18. Датчик 8 содержит пьезоэлектрический цилиндр 19, инерционный элемент 20, световоды 21, 22, светодиоды 23, 24 и фотоприемники 25, 26. Датчик 1 используется в качестве чувствительного элемента магнитного поля, возникающего в электроустановках под воздействием малых токов. Он представляет собой волоконный интерферометр Маха-Цендера. Конструктивно это фазовый датчик, использующий в своей работе оптическое излучение, который построен на основе схемы, регистрирующей изменение фазы электромагнитной волны, распространяющейся по оптическому каналу. Волоконный фазовый датчик имеет два плеча, выполненные на основе оптических волокон, в одно из которых помещен световод с нанесенным магнитострикционным материалом, например металлическим стеклом. Дифференциальный усилитель 2 предназначен для усиления рабочих сигналов, поступающих с выходов фотоприемников и управления через элемент ИЛИ 10 ключом 4. 3 77812011.12.30 Блок питания 3 предназначен для питания импульсного генератора 6, создающего предупредительные сигналы в громкоговорителе 7 при приближении датчика 1 к токоведущим частям электроустановок, находящихся под нагрузкой, или датчика 8 к частям электроустановок, находящихся под напряжением. Электронный ключ 4 управляет работой импульсного генератора 6 по сигналам с выходов дифференциальных усилителей 2 или 9. Громкоговоритель 7 воспроизводит предупредительные звуковые сигналы при приближении к токоведущим частям электроустановок, находящимся под нагрузкой или под напряжением. Датчик 8 (фигура) представляет собой также интерферометр Маха-Цендера, в одно из плеч которого помещен световод 21 с сердцевиной из двуокиси кремния с добавкой германия и оболочкой из двуокиси кремния с добавкой фтора и фосфора, причем оболочка световода 21 покрыта пьезоэлектрическим полимером 3. Дифференциальный усилитель 9 предназначен для усиления рабочих сигналов, поступающих с выходов фотоприемников 25, 26, а также для управления ключом 4 через элемент ИЛИ 10. Пьезоэлектрические цилиндры 11, 19 обеспечивают ускорение инерционных элементов 12, 20, т.е. перемещение этих элементов в направлениях, показанных стрелками. Эти ускорения необходимы для обеспечения нормальной работы датчиков 1, 8. Для этого на цилиндры 11, 19 подается синусоидальное напряжение от специального источника, который на схеме не показан. Инерционные элементы 12, 20 представляют собой определенные массы, соединенные со своими световодами 13, 14 и 21, 22. Инерционные массы 12, 20 при подаче на цилиндры 11, 19 синусоидальных напряжений начинают колебаться. При этом под действием возникающих ускорений а они перемещаются в направлениях, указанных стрелками, чем обеспечивают перемещение связанных с ними световодов 13, 14 и 21, 22, необходимое для обеспечения работы интерферометров. Световоды 13, 14 и 21, 22 используются в качестве чувствительных элементов датчиков 1, 8 и соединены с инерционными массами 12, 20. Каждый из световодов 13, 14 и 21,22 включен в плечи интерферометров, что увеличивает их чувствительность. Световод 13 имеет нанесенный непосредственно на поверхность световода слой металлического стекла. При работе датчика 1 в результате изменения размеров световода 13 в магнитном поле в этом плече интерферометра возникает дополнительный набег фазы, что позволяет в конечном итоге снимать сигнал, пропорциональный изменению магнитного поля. Фазовый сдвиг в этом случае обуславливается возникающим магнитным полем. Световод 21 используется в качестве чувствительного элемента датчика 8. Он выполнен с сердцевиной из двуокиси кремния с добавкой фтора и фосфора. Кроме того, оболочка световода 21, покрыта пьезоэлектрическим полимером. При работе датчика 8 происходят изменения фазы электромагнитной волны, распространяющейся по световоду 21. Эти изменения возникают при внешнем воздействии электрического поля на используемый материал световода 21. Светодиоды 15, 16 и 23, 24 служат для создания необходимых световых потоков в световодах 13, 14 и 21, 22. Фотоприемники 17, 18 и 25, 26 необходимы для образования световых потоков, поступающих от светодиодов 15, 16 и 23, 24 в электрические сигналы. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы оператор вдали от электроустановки включает прибор. При приближении к токоведущим частям электроустановок, находящимся под нагрузкой, на расстояние 8-10 м на датчик 1 начинает действовать магнитное поле, возникающее в токоведущих частях вследствие протекания по ним токов согласно закону Био-Саварра-Лапласа. Возникающее магнитное поле регенерируется датчиком 1. Находясь в зоне действия магнитного поля, пьезоэлектрический цилиндр 11 4 77812011.12.30 под действием синусоидального напряжения начинает перемещать инерционный элемент 12 в направлениях, показанных стрелками. Светодиоды 13 и 14, соединенные с инерционной массой 12, также начинают перемещаться в указанных направлениях. При этом происходит изменение относительной длины светодиодов 13 и 14 пропорционально возникшему ускорению . При продольном воздействии усилий на светодиоды 13 и 14 происходит их удлинение, приводящее к изменению фаз излучений от светодиодов 15 и 16, пропускаемых через эти световоды. В том случае, если бы внешнее магнитное поле отсутствовало, возникший фазовый сдвиг в световодах 13 и 14 был бы одинаков и фототоки приемников 17 и 18 были бы равны, одинаковые сигналы поступили бы на вход усилителя 2. Под действием же имеющегося магнитного поля световод 13 дополнительно изменяет свои размеры,т.к. он, в отличие от световода 14, имеет специальное нанесенное покрытие, которое для усиления магнитострикционного эффекта выполнено из металлического стекла. Изменение размеров световода 13 приводит к тому, что в этом плече интерферометра возникает дополнительный набег фазы излучения от светодиода 15. Это изменение излучения и регистрируется фотоприемником 17, фототок которого изменяется и становится отличным от фототока приемника 18. Сигналы с выходов фотоприемников 17 и 18 поступают на вход дифференциального усилителя 2. Полученный в результате сигнал рассогласования усиливается усилителем 2 и через элемент ИЛИ 10 подается на управляющий электрод ключа 4. Ключ 4 открывается, и второй потенциал источника 3 по силовой цепи прикладывается к импульсному генератору 6. Генератор 6 генерирует сигналы, которые и воспроизводит громкоговоритель 7. Таким образом, производится звуковое оповещение обслуживающего персонала электроустановки. При выходе из зоны действия магнитного поля датчик 1 улавливает это изменение, сигнал с выхода усилителя 2 уменьшается, электронный ключ 4 закрывается, обесточивается генератор 6 и звуковое оповещение прекращается. При приближении к токоведущим частям электроустановок со снятой нагрузкой, но с не отключенным по каким-либо причинам напряжением на датчик 8 начинает действовать электрическое поле. Возникающее электрическое поле регистрируется датчиком 8. Находясь в зоне действия электрического поля, пьезоэлектрический цилиндр 19 под действием синусоидального напряжения начинает перемещать инерционный элемент 20 в направлениях, показанных стрелками. Световоды 21 и 22, соединенные с инерционной массой 20,также начинают перемещаться в указанных направлениях. При этом происходит изменение относительной длины световодов 21 и 22 пропорционально возникшему ускорению . При продольном воздействии усилий на световоды 21 и 22 происходит их удлинение,приводящее к изменению фаз излучений от светодиодов 23 и 24, пропускаемых через эти световоды. В том случае, если бы внешнее электрическое поле отсутствовало, возникший фазовый сдвиг в световодах 21 и 22 был бы одинаков и фототоки приемников 25 и 26 были бы равны, и одинаковые сигналы поступили бы на вход усилителя 9. Под действием же имеющегося электрического поля световод 21 дополнительно изменяет свои размеры, т.к. он, в отличие от световода 22, имеет другую сердцевину и специальное нанесенное пьезоэлектрическое полимерное покрытие. Изменение размеров световода 21 приводит к тому,что в этом плече интерферометра возникает дополнительный набег фазы излучения от светодиода 23. Это изменение излучения регистрируется фотоприемником 25. Фототок приемника 25 изменяется и становится отличным от фототока приемника 26. Сигналы с выходов фотоприемников 25 и 26 поступают на вход дифференциального усилителя 9. Полученный в результате сигнал рассогласования усиливается усилителем 9 и через элемент ИЛИ 10 подается на управляющий электрод ключа 4. Ключ 4 открывается, и второй потенциал источника 3 по силовой цепи прикладывается к импульсному генератору 6. Генератор 6 генерирует сигналы, которые и воспроизводит громкоговоритель 7. Таким образом, производится звуковое оповещение обслуживающего персонала электроустановки. При выходе из зоны действия электрического поля датчик 8 улавливает это изменение,5 77812011.12.30 сигнал с выхода усилителя 9 уменьшается, электронный ключ 4 закрывается, обесточивается генератор 6 и звуковое оповещение прекращается. Таким образом, использование предлагаемой полезной модели повышает электробезопасность обслуживающего персонала и расширяет функциональные возможности устройства путем регистрации электрических полей малой напряженности, обусловленных, например, наличием не отключенного с электроустановки напряжения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6