СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА В КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
METHOD FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF COEFFICIENT OF NON-LINEAR DISTORTION OF VOLTAGE AND CURRENT IN OVERHEAD SYSTEM OF ELECTRIC RAILWAY

изобретение относится к области контроля показателей качества электроэнергии и может быть использовано при оперативном контроле контактных электросетей электрифицированной железной дороги.
Известен способ контроля показателей качества электрической энергии с использованием цифровой техники, при котором измерительный комплекс подключают к обследуемой сети непосредственно или через измерительный трансформатор напряжения в зависимости от величины напряжения, включающий измерительно-вычислительный комплекс ИВК «Омск-М», с помощью которого измеряют параметры электрической энергии в однофазных и трехфазных сетях, включая показатели качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97, и осуществляют оценку их соответствия нормально и предельно допускаемым значениям, осуществляют организацию учета электрической энергии на предприятиях промышленности и в энергосистемах, осуществляют оценку ее качества, производят обследование электросетей предприятий.
Шестнадцатиканальный измерительно-вычислительный комплекс ИВК «Омск-М» представляет собой переносное устройство, обеспечивающее регистрацию, оцифровывание и запоминание мгновенных значений сигналов напряжения и тока электрической сети. Накопленная информация обрабатывается программами, входящими в комплект ИВК «Омск-М» [Измерительно-вычислительный комплекс ИВК «Омск-М». Руководство по эксплуатации. Омск, 2001, 30 с.].
Недостатком известного способа и устройства - ИВК «Омск-М» - является необходимость их подключения к контактной сети электрифицированной железной дороги 27,5 кВ/50 Гц через измерительный трансформатор напряжения, а также необходимость обеспечения повышенных требований безопасности, таких как: по электробезопасности ИВК «Омск-М» должен соответствовать требованиям ГОСТ 26104-89; по способу защиты человека от поражения электрическим током ИВК «Омск-М» должен соответствовать к классу I; к работе с ИВК «Омск-М» допускаются лица, имеющие квалификационную группу по технике безопасности не ниже III.
Наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ контроля показателей качества электрической энергии с использованием цифровой техники, при котором измерительный комплекс подключают к обследуемой сети непосредственно или через измерительный трансформатор напряжения в зависимости от величины напряжения, включающий устройство контроля показателей качества электрической энергии, которое реализовано в приборе контроля показателей качества электрической энергии ППКЭ-1-50, благодаря которому осуществляют оперативный контроль показателей качества электрической энергии в силовых и слаботочных электрических сетях, обеспечивают контроль коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения, коэффициента искажения синусоидального сигнала и коэффициента несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям.
Устройство контроля показателей качества электрической энергии содержит соединенные между собой коммутатор, на вход которого поступают измеряемые электрические сигналы и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к электронно-вычислительной машине. Между аналого-цифровым преобразователем и электронно-вычислительной машиной включены сигнальный и цифровой процессоры, на выходы последнего подключены параллельный порт с принтером на выходе, дисплей, клавиатура, таймер-календарь и элемент памяти. В сигнальном процессоре между входом и первым выходом последовательно включены элемент быстрого преобразования Фурье и вычислитель для вычисления коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения. Первый выход цифрового процессора соединен с входом вычислителя. На каждом выходе элемента быстрого преобразования Фурье, кроме выхода по основной гармонике сигнала, включены квадраторы, выходы которых подсоединены к сумматору, соединенному с вычислителем, работающим на второй выход сигнального процессора и осуществляющим вычисление коэффициента искажения синусоидального сигнала. Второй выход цифрового процессора соединен с входом этого вычислителя, а между входом и третьим и четвертым выходами сигнального процессора включены соответственно вычислитель коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности и вычислитель коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности. Вход каждого вычислителя соединен с третьим и четвертым выходами цифрового процессора соответственно [Кадырматов А.Ш., Соколов B.C. «Устройство контроля показателей качества электрической энергии», Патент RU 2147132 C1, G01R 29/04, G01R 21/133, G01R 23/20, 27.03.2000].
Недостатком известного способа и устройства ППКЭ-1-50 является необходимость их подключения к контактной сети электрифицированной железной дороги 27,5 кВ/50 Гц. Известных решений бесконтактного контроля показателей качества электрической энергии из научной и патентно-технической документации авторами не обнаружено.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого изобретения, состоит в разработке способа бесконтактного измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в повышении оперативности и снижении требований электробезопасности обслуживающего персонала и трудоемкости работ измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения тока в контактной сети электрифицированной железной дороги.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги, согласно изобретению под токонесущим проводом контактной сети электрифицированной железной дороги устанавливают датчики электрического и магнитного полей, закрепленные на конце штанги высотой 1,5-2,0 м, при этом сигналы от датчиков электрического и магнитного полей поступают на вход двухканального цифрового осциллографа, совмещенного с ноутбуком, с помощью которых проводят синхронную двухканальную регистрацию формы сигнала, спектральный анализ электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, и с помощью стандартной программы анализа данных Microsoft Excel определяют коэффициенты нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги.
Новым в предлагаемом изобретении является то, что измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги проводят бесконтактным способом.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема двухканального комплекса для синхронной регистрации электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля контактной сети 27,5 кВ/50 Гц электрифицированной железной дороги, на фиг.2 - фоторисунок, на котором изображен общий вид устройства.
В предлагаемом способе бесконтактного измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги для получения технического результата использован двухканальный комплекс на базе стандартных модулей для синхронной регистрации электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля контактной сети 27,5 кВ/50 Гц электрифицированной железной дороги [Измеритель напряженности поля промышленной частоты П3-50, Зав. №226, 2001. Руководство по эксплуатации; PC Scope PCS64I Manual, Belgium, 1998, http://www.vclleman.be].
В качестве датчиков 1, 2 электрического и магнитного полей использованы датчики от стандартного измерителя поля промышленной частоты П3-50. Сигналы от датчиков 1, 2 электрического и магнитного полей поступают на входы 1, 2 цифрового осциллографа (PCS 64i) 3, совмещенного с ноутбуком 4.
Электрический датчик (ЭД) 1 представляет собой диполь размером 10 см с широкополосным согласующим предусилителем (ПУ) 5 питаемым стабилизированным напряжением Uп=10 В от измерителя (П3-50) 6. Частотная характеристика датчика равномерна вплоть до 1 МГц. Сигнал с электрического датчика (ЭД) 1 поступает по экранированному кабелю на вход 1 осциллографа (PSC64i) 3.
2
Магнитный датчик (МД) 2 представляет собой рамочную антенну с 5000 витков тонкого медного провода и средней площадью рамки S=100 см. Эдс, наводимая в магнитном датчике (МД) 2, по экранированному кабелю подается на вход 2 осциллографа (PSC 64i) 3. Индуктивность рамки магнитного датчика (МД) 2 в сочетании с собственной емкостью и емкостью кабеля образует колебательный контур с центральной частотой около 30 кГц. Его амплитудно-частотная характеристика в низкочастотной области линейно растет с частотой. Она измеряется с помощью колец Гельмгольца при лабораторной калибровке для определения чувствительности магнитного датчика (МД) 2. Программное обеспечение осциллографа (PSC64i) 3 позволяет проводить синхронную двухканальную регистрацию электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля и их спектральный анализ. Нормировку спектра на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) магнитного датчика (МД) 2, вычисление коэффициентов нелинейности и коэффициентов гармоник в соответствии с ГОСТ 13109-97 осуществляют с помощью стандартного пакета анализа данных Microsoft Excel.
Измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги с использованием предлагаемого способа заключаются в следующем:
1) проводят лабораторную калибровку магнитного датчика (МД) 2, определяют его амплитудно-частотную характеристику с помощью колец Гельмгольца;
2) средствами анализа данных пакета Microsoft Excel проводят обработку данных, полученных с двухканального комплекса на основе цифрового осциллографа (PCS64i) 3, ноутбука 4 и датчиков (ЭД) 1 и (МД) 2 напряженности электрического и магнитного полей в комплекте с измерителем (П3-50) 6.
Порядок проведения измерений следующий (см. фиг.2 - фоторисунок).
1. Электрический 1 и магнитный 2 датчики закреплены на штанге 7 высотой 2 м, которая установлена на опору 8 в вертикальном положении. Таким образом, электрический 1 и магнитный 2 датчики располагаются на высоте 1,5-2 м под токонесущим проводом контактной сети электрифицированной железной дороги.
2. Кабели 9 и 10, идущие соответственно с электрического (ЭД) 1 и магнитного (МД) 2 датчиков подключены к входам 11 и 12 цифрового осциллографа 3 совмещенного с ноутбуком 4. Имеется возможность контроля основной гармоники 50 Гц в сигналах электрического 1 и магнитного 2 датчиков по индикатору 13 измерителя (П3-50) 6.
3. Проводят синхронную регистрацию электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля контактной сети электрифицированной железной дороги.
4. Проводят обработку данных с помощью стандартного пакета анализа данных Microsoft Excel. Вычисляют коэффициенты нелинейных искажений напряжения и тока.
Полевые испытания предлагаемого изобретения «Способ бесконтактного измерения коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дорогие проведены в окрестностях железнодорожной станции «Улан-Удэ» ОАО «РЖД» и на ряде высоковольтных линий электропередач (ЛЭП). На фиг.3 приведены спектрограммы электрического и магнитного полей контактной сети железной дороги 27,5 кВ/50 Гц. Результаты измерений коэффициента нелинейных искажений в контактной сети железной дороги и ЛЭП приведены в таблице.
Преимуществом предложенного способа бесконтактного измерения коэффициентов нелинейных искажений напряжения и тока в контактной сети электрифицированной железной дороги и ЛЭП по сравнению с прототипом (Кадырматов А.Ш., Соколов B.C. «Устройство контроля показателей качества электрической энергии», Патент RU 2147132 C1, G01R 29/04, G01R 21/133, G01R 23/20, 27.03.2000) является определение параметров качества электрической энергии бесконтактным дистанционным способом, не требующим непосредственного подключения прибора к обследуемой сети. Это резко удешевляет процесс контроля и сертификации электрической сети, потому что не требует использования высоковольтных приборов и квалифицированных специалистов с высоким уровнем допуска по технике безопасности.