КОМБИНИРОВАННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и может найти применение для одновременного измерения напряжения и тока, например, в цифровых системах учета активной и реактивной электроэнергии.
Уровень техники
12
20
12
20
Известен оптический трансформатор тока и напряжения NXVCT [http://pro-ln.ru/ru/production_services/nxvct.html] выполненный на одной изоляционной колонне. Первичный преобразователь напряжения в этом устройстве размещен в полой изоляционной колонне и выполнен на основе набора электрооптических кристаллов, измеряющих электрическое поле в трех точках, и последующего восстановления измеряемого напряжения в блоке обработки сигнала. Недостаток такого технического решения состоит в низкой точности и значительной температурной нестабильности, обусловленных тем, что датчик измеряет не напряжение, а электрическое поле. Напряжение вычисляется путем аппроксимации линейного интеграла по ограниченному числу точек измерения электрического поля. Низкая точность датчика также обусловлена влиянием различных факторов, которые могут искажать электрическое поле: наличие или появление металлических предметов вблизи высоковольтной колонны, изменение влажности. Кроме этого, известные электрооптические материалы (например BiSiO, BiTiO и др) имеют значительную зависимость электрооптических коэффициентов от температуры, что требует применения дополнительных датчиков температуры для коррекции результатов измерений. Первичный преобразователь тока в данном устройстве выполнен на основе волоконно-оптического контура, в котором регистрируется фазовый сдвиг, обусловленный эффектом Фарадея. Поскольку обработка сигналов первичных преобразователей напряжения и тока основана на разных алгоритмах она вносит разные временные задержки в получаемые сигналы. Вследствие этого возникает значительная разность фаз измерительных сигналов тока и напряжения, для компенсации которой применяются сложные схемы фазовой коррекции. Другим недостатком данного устройства является необходимость применения различных световодов для преобразователей напряжения и тока.
Известна гибридная измерительная система для измерения тока и напряжения (Патент США 6522256 B2 от 18.02.2003 г.), в которой измерение тока осуществляется находящимся под высоким потенциалом электронным блоком, который питается от аккумуляторов, заряжаемых от солнечных батарей. Напряжение измеряется электронным модулем, находящимся в основании высоковольтной колонны, который питается от сети напряжением 12 В. Связь и гальваническая развязка электронного блока, находящегося под высоким потенциалом, и базового блока, находящегося в основании колонны, осуществляется волоконными световодами. Недостатками этого технического решения являются ограниченная область применения устройства, обусловленная необходимостью подзарядки источника питания солнечным светом, необходимость подводки к высоковольтной колонне электрического питания, а также передача измерительной информации по проводному интерфейсу подверженному влиянию помех, присутствующих на высоковольтных подстанциях. Кроме этого, измерение тока и напряжения осуществляется разными электронными блоками, следствием чего являются фазовые погрешности, обусловленные разными задержками при распространении и обработке сигналов.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство для измерения токов, напряжений и передачи данных по цифровому каналу связи [RU 130132].
Прототип содержит полую изоляционную колонну с делителем напряжения, размещенный на ее высоковольтном торце измерительно-преобразовательный модуль, подключенный к датчику измеряемого тока и к низкоомному плечу указанного делителя, и базовый модуль, связанный двухпроводной волоконно-оптической линией с измерительно-преобразовательным модулем. При этом базовый модуль снабжен фотоприемником данных, оптическим передатчиком мощности и сетевым передатчиком данных по протоколу «Шина процесса» МЭК 61850-9-2LE, а измерительно-преобразовательный модуль - оптическим передатчиком данных и фотовольтаическим приемником мощности.
Недостатком прототипа является нестабильность временных сдвигов между моментами измерений токов и напряжений, выполняемых в измерительно-преобразовательном модуле, и моментами выдачи измерительных данных, сформированных базовым модулем, в коммуникационную сеть. Следствием этого является, низкая точность последующего определения фазового угла между измеренными токами и напряжениями, который используется для контроля качества электроэнергии и вычисления активной и реактивной мощности.
Раскрытие существа полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение точности контроля качества и учета электрической энергии.
Предметом полезной модели, обеспечивающим получение указанного результата, является комбинированный волоконно-оптический трансформатор напряжения и тока, содержащий полую изоляционную колонну с делителем напряжения, размещенный на ее высоковольтном торце измерительно-преобразовательный модуль, подключенный к датчику измеряемого тока и к низкоомному плечу указанного делителя, и базовый модуль обработки, связанный двухпроводной волоконно-оптической линией с измерительно-преобразовательным модулем, при этом базовый модуль снабжен фотоприемником данных, оптическим передатчиком мощности и сетевым передатчиком данных, а измерительно-преобразовательный модуль - оптическим передатчиком данных и фотовольтаическим приемником мощности, отличающийся тем, что в базовый модуль введен источник синхроимпульсов, выход которого подключен к оптическому передатчику мощности и входу синхронизации сетевого передатчика данных, а измерительно-преобразовательный модуль - формирователь синхроимпульсов, вход которого соединен с фотовольтаическим приемником мощности, а выход - с пусковым входом измерительно-преобразовательного модуля.
Полезная модель имеет уточняющие развития, которые состоят в том, что:
- датчик измеряемого тока может быть выполнен в виде трансформатора тока с резисторной нагрузкой, токового шунта или пояса Роговского, нагруженного на интегрирующую цепь;
- делитель может быть напряжения выполнен резистивным или емкостным;
- к измерительно-преобразовательному модулю, может быть подключен дополнительный датчик измеряемого тока;
Осуществление полезной модели с учетом ее развитей
Структуру устройства иллюстрирует фиг. 1, а схему его измерительно-преобразовательного модуля фиг. 2.
Устройство содержит полую изоляционную колонну 1 с делителем напряжения, состоящим из низкоомного плеча 2 и высоомного плеча 3 (см. фиг. 1). Измерительно-преобразовательный модуль 4, размещен на высоковольтном торце колонны 1. Модуль 4 подключен к датчику 5 измеряемого тока и к низкоомному плечу 2 указанного делителя, который служит датчиком напряжения. Делитель напряжения может быть выполнен резистивным или емкостным.
Датчик 5 тока может быть выполнен в виде трансформатора тока с резисторной нагрузкой, токового шунта или пояса Роговского, нагруженного на интегрирующую цепь. Базовый модуль 6 связан с модулем 4 двухпроводной волоконно-оптической линией 7 и снабжен сетевым передатчиком 8. Модуль 6 содержит блок обработки 9, к которому подключены фотоприемник 10 данных, оптический передатчик 11 мощности (лазер оптической накачки).
Модуль 4 (схема которого приведена на фиг. 2) снабжен оптическим передатчиком 12 данных и источником 13 питания с фотовольтаическим приемником 14 мощности. В состав модуля 4 входят блок аналого-цифрового преобразования 15 и блок 16 кодирования измерительных данных, к выходу которого подключен оптический передатчик 12.
В базовый модуль 6 (фиг. 1) введен источник 17 синхроимпульсов, выход которого подключен к оптическому передатчику 11 мощности и входу синхронизации сетевого передатчика 8. В измерительно-преобразовательный модуль 4 (фиг. 2) введен формирователь 18 синхроимпульсов, вход которого соединен с фотовольтаическим приемником 14, а выход - с пусковым входом 19 модуля 4. Входом 19 служит вход запуска блока 15, входящего в состав модуля 4.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Блок 17 модуля 6 вырабатывает последовательность коротких (0,5-2 мкс) синхроимпульсов с частотой повторения, предусмотренной стандартом сети, в которой работает передатчик 8 (например, МЭК 61850-9-2). Эти импульсы поступают на сетевой передатчик 8 и на оптический передатчик 11, где на время своего действия прерывают излучение лазера, входящего в состав передатчика 11, обеспечивающего мощность излучения, необходимую для питания модуля 4 через фотовольтаический приемник 14.
В передатчике 8 синхроимпульсы осуществляют временную "привязку" пакетов измерительной информации, поступающих от модуля 4, и формирование выходного пакета данных для потребителей и исполнительных устройств. Излучение от передатчика 11 по одному из волокон линии 7 поступает на вход фотовольтаического приемника 14 (выполненного, например, на основе гетероструктур AlGaAs-GaAs), который преобразует входную оптическую мощность в электрическую мощность с напряжением порядка 1 В. Приемник 14 подключен к входу источника 13, повышающего питающее напряжение модуля 4 до необходимой величины, и ко входу формирователя 18 синхроимпульсов., который из провалов напряжения на фотовольтаическом приемнике 14 формирует синхроимпульсы, одновременно запускающие все аналого-цифровые преобразователи (АЦП), имеющиеся в блоке 15.
В составе блока 15 может быть два АЦП, преобразующих напряжение и ток для систем учета электроэнергии, или три АЦП (преобразующие напряжение, ток для учета электроэнергии и ток для систем токовой защиты). В последнем случае модуль 4 снабжается вторым датчиком тока 20, показанным на фиг. 1.
На входы АЦП поступают сигналы от соответствующих датчиков тока и плеча 2 делителя напряжения (используемого в качестве датчика напряжения). Общим потенциалом (виртуальной «землей) блока 4 служит потенциал высоковольтного провода и верхнего фланца колонны 1.
Цифровые коды сигналов АЦП могут храниться в памяти блока 15. Эти данные преобразуются блоком 16 в пакеты, содержащие код измеренного параметра, и передаются в формате, выбранном для последовательной передачи по линии 7 на фотоприемник 10 модуля 6. В модуле 6 пакеты информации, полученные с фотоприемника 10, поступают в блок 9, где обрабатываются (декодируются и нормируются) в соответствии с принятым кодом измеренного параметра. Данные, обработанные в блоке 9, выдаются передатчиком 8 сетевым потребителям по стандартному протоколу (МЭК 61850-9-2).
Повышение точности измерений в предложенном устройстве достигается за счет того, что измерения тока и напряжения выполняются одновременно и синхронно с передачей пакетов измерительной информации в коммуникационную сеть. Это позволяет потребителям измерительной информации получать результаты измерений в цифровом формате с минимальными фазовыми погрешностями.