Электронный трансформатор тока
ELECTRONIC CURRENT TRANSFORMER

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для прецизионного измерения токов и может быть использовано в приборах измерения энергии и мощности в электросетях, энергосистемах, приборах энергосбережения и релейной защиты.
Известны электронные трансформаторы тока - ЭТТ (см., ГОСТ Ρ МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока, часть 8), основой которых являются первичные датчики тока на основе измерительных трансформаторов, предварительных усилителей и устройств обработки сигналов, представляющих собой преобразователи выходных сигналов датчиков в вид, удобный для измерений, регистрации и передачи их другим измерительным приборам по доступным физическим линиям связи [1].
Широко распространены ЭТТ (см. М.Б. Лейтман, 1986, Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов, Москва, Энергоатомиздат), в которых первичный магнитный поток, создаваемый измеряемым током, автоматически компенсируется магнитным потоком противоположного знака, создаваемого входящими в их состав регуляторами отрицательной обратной связи [2].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является электронный трансформатор тока (см. патент RU №2555524, МПК G01R 19/00, публикация от 10.07.2015), содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, отличающийся тем, что выход предварительного усилителя соединен с прямым входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с одним из концов обмотки обратной связи измерительного трансформатора тока и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом регулируемого усилителя [3].
Включение первичной обмотки измерительного трансформатора тока (ИТТ) параллельно участку цепи измеряемого тока вдоль оси его протекания улучшает технические и эксплуатационные характеристики ЭТТ, но снижает устойчивость к воздействию электромагнитных полей (ЭМП) и других дестабилизирующих факторов (ДФ).
Ярким примером таких ДФ, требующих принятия специальных мер по защите от их воздействия, являются ЭМП, создаваемые мощными промышленными генераторами и потребителями электроэнергии.
При больших уровнях ЭМП и совпадении их частот с рабочей частотой ЭТТ, в нем могут возникнуть столь сильные синфазные помехи, при которых нарушается устойчивая работа ЭТТ, а метрологические характеристики могут выйти за рамки приемлемых значений.
Для реализации оптимального режима работы ЭТТ в таких условиях необходимо значительно повысить коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).
Предлагаемый электронный трансформатор тока специально разработан для реализации в нем максимально возможного КОСС, необходимого для повышения устойчивости его работы при воздействии больших ЭМП и других ДФ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение устойчивости работы электронного трансформатора тока при воздействии электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов, а также улучшение его метрологических характеристик.
Технический результат достигается тем, что в электронный трансформатор тока, содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, предварительный усилитель и блок обработки сигналов, предварительный усилитель выполнен в виде первого и второго измерительных усилителей, входы регулировки усиления которых соединены с установочными резисторами, причем один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам инвертирующего первого и неинвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные первую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом первого измерительного усилителя, а другой вывод вторичной обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам неинвертирующего первого и инвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные вторую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом второго измерительного усилителя, причем выходы измерительных усилителей соединены с соответствующими дифференциальными входами блока обработки сигналов, парафазные выходы которого являются выходами устройства.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что при указанном включении, ЭТТ минимизирует уровень синфазных помех, поэтому при воздействии большого уровня ЭМП и других дестабилизирующих и возмущающих факторов сохраняется устойчивая работа ЭТТ и стабильность его метрологических характеристик.
Известно, что максимальным КООС обладают дифференциальные и строго симметричные структуры, поэтому предложенный ЭТТ выполнен в соответствии с этими требованиями.
Для повышения КООС, в ЭТТ введен симметрирующий трансформатор, напряжения с обмоток которого, воздействуя на вторичную обмотку ИТТ, образуют цепь отрицательной обратной связи (ООС) по току, что способствует линеаризации и стабилизации магнитных характеристик ИТТ и дополнительно ослабляет все виды возмущающих воздействий на ЭТТ в целом.
Такая реализация ЭТТ позволяет получить хорошие метрологические, технические и эксплуатационные характеристики, которые можно использовать в прецизионной электроизмерительной технике.
Проведенный анализ существующего уровня электроизмерительной техники не выявил наличия аналога с признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а также показал наличие новой совокупности признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют реализовать поставленную цель.
Положительным результатом предлагаемого технического решения является:
- значительное ослабление влияния электромагнитных полей на метрологические характеристики;
- значительное ослабление влияния других ДФ;
- повышение устойчивости работы ЭТТ;
- расширение диапазона измеряемых токов.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Сущность технического решения поясняется чертежом.
Электронный трансформатор тока содержит токопровод 1, входной измерительный трансформатор тока 2 с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, первый 7 и второй 8 измерительные усилители, установочные резисторы 5 и 6, симметрирующий трансформатор 9 с первой 10 и второй 11 обмотками, согласующие резисторы 12 и 13 и блок 14 обработки сигналов с выходными клеммными зажимами 15 и 16.
ЭТТ, в указанном включении, решает две взаимосвязанные задачи:
- для улучшения метрологических характеристик обеспечивает оптимальное согласование по току вторичной обмотки ИТТ с усилительной частью ЭТТ;
- для повышения устойчивости к дестабилизирующим факторам и синфазным помехам обеспечивает строгую симметрию дифференциальной структуры ЭТТ в целом (именно такая структура обладает максимальным КОСС).
Решение этих задач осуществляется следующим образом.
H
H
Через токопровод 1 протекает измерительный ток I нагрузки. Параллельно точкам "а" и "б", расположенным вдоль оси протекания тока, подсоединена первичная обмотка 3 ИТТ 2, таким образом, токопровод является эквивалентом шунта, многократно (до сотен раз) ослабляющим ток I первичной обмотки.
Для улучшения и стабилизации параметров ИТТ с его вторичной обмотки 4 снимается сигнал тока, а не напряжения, как в большинстве случаев. С этой целью выводы обмотки 4 соединены с инвертирующими входами двух дифференциально включенных измерительных усилителей, которые благодаря жесткой ООС, осуществляемой первой и второй обмотками симметрирующего трансформатора 9 и согласующими резисторами 12 и 13, работают в режиме стабильных источников тока. При таком включении на инвертирующих входах измерительных усилителей обеспечивается "виртуальный ноль" напряжения, поэтому замкнутая на эти входы вторичная обмотка ИТТ находится в режиме, близком к режиму "короткого замыкания", что является необходимым условием для стабильной работы ИТТ в широком диапазоне измеряемых токов. Улучшение метрологических характеристик особенно заметно при измерениях малых токов.
Значительный вклад в улучшение метрологических характеристик и повышение устойчивости работы ЭТТ, при воздействии дестабилизирующих факторов, вносит симметрирующий трансформатор 9, который, даже при несимметричном воздействии дестабилизирующих факторов на дифференциальные каналы усиления ЭТТ, выравнивает их коэффициенты усиления, что позволяет сохранить симметрию всей структуры ЭТТ в целом и обеспечить тем самым максимальный КОСС.
Этой же цели служит симметричная реализация ООС в обоих каналах усиления, а также строгая симметрия структуры блока обработки сигналов 14.
Для оценки заявленных возможностей предложенного технического решения были изготовлены макетные образцы ЭТТ с применением малогабаритных ИТТ класса 0,5. Испытания проводились на номинальных токах 50, 100, 250, 500 и 1000 А.
H
H
Диапазон измеряемых токов был расширен с (5÷120)% I до (1÷150)% I, а в качестве источника ЭМП использовался эталонный двухступенчатый трансформатор тока "ИТТ-3000-5".
Результаты испытаний показали, что метрологические характеристики в указанном диапазоне токов соответствуют классу 0,5S по ГОСТ Ρ МЭК 60044-8-2010.
H
Столь значительное улучшение метрологических характеристик и расширение диапазона измеряемых токов достигнуто благодаря повышению устойчивости работы ЭТТ, особенно на начальном участке вплоть до 1% I, то есть на участке, где воздействие любых дестабилизирующих факторов проявляется особенно сильно.
Полученные результаты подтверждают возможность реализации поставленной цели простыми и недорогими средствами.
Технико-экономическим преимуществом предложенного решения является значительное снижение токовой и угловой погрешностей электронного трансформатора тока, путем линеаризации и стабилизации магнитных характеристик малогабаритных трансформаторов, путем охвата каждого из них жесткой отрицательной обратной связью, превращая его в прецизионное (высокоточное) средство измерения широкого диапазона токов.
Литература
1. ГОСТ Ρ МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока (часть 8).
2. М.Б. Лейтман, Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов, Москва, Энергоатомиздат, 1986.
3. Е.И. Рожнов, Патент RU №2555524, МПК G01R 19/00, публикация от 10.07.2015, Электронный трансформатор тока.