ЦИФРОВОЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к цифровым измерительным устройствам постоянного и переменного токов.
Известен датчик тока (Патент на изобретение РФ 2377578, МПК G01R 19/00, 2008 г.), содержащий резистивный элемент, соединенный с усилителем, и блок питания, между резистивным элементом и выходом датчика установлена трансформаторная гальваническая развязка, включающая в себя аналого-цифровой преобразователь, разделяющий трансформатор и цифроаналоговый преобразователь, при этом выход усилителя соединен с аналого-цифровым преобразователем, выход аналого-цифрового преобразователя - с первичной обмоткой разделяющего трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с цифроаналоговым преобразователем, а усилитель и аналого-цифровой преобразователь связаны с блоком питания через трансформатор питания.
Недостатками указанного датчика тока являются передача измерительного сигнала в цифровой форме через разделяющий трансформатор, отсутствие устройств экранирования электронной аппаратуры и как следствие ее чувствительность к электрическим и магнитным полям токопровода с измеряемым током, недостаточная надежность в связи с отсутствием резервирования первичных преобразователей, электроники и системы питания.
Известно высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока (Патент на изобретение РФ 2346285, МПК G01R 19/00, 2009 г), содержащее датчик тока, аналого-цифровой преобразователь и передатчик, оно помещено внутрь токопровода с измеряемым током, находится под потенциалом высокого напряжения в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, а передача информации о величине измеряемого тока производится в кодированном цифровом виде по оптическому каналу.
Недостатком указанного высоковольтного оптоэлектронного устройства является то, что измерение осуществляется посредством определения напряжения на шунте, включенном параллельно основному токопроводу, изменение перераспределения токов между токопроводом и шунтом приводит к дополнительным погрешностям. Также указанное устройство не имеет блока питания электронной аппаратуры на высоковольтной стороне, что делает невозможным ее работу.
Известно высоковольтное цифровое устройство для измерения тока (Патент на полезную модель РФ 137955, МПК G01R 19/00, 2014 г.), содержащее шунт, аналого-цифровой преобразователь, оптический приемопередатчик и оптический канал, питающий электромагнитный трансформатор и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током; преобразователь ток-напряжение, стабилизатор напряжения и блок обработки сигналов, помещенные внутрь шунта, выполненного цилиндрическим с внутренней полостью и включенного в рассечку токопровода; второй оптический приемопередатчик, маршрутизатор и блок питания, расположенные на низковольтной стороне; при этом оптический приемопередатчик помещен внутрь шунта, а блок обработки сигналов включает аналого-цифровой преобразователь; при чем питающий электромагнитный трансформатор подключен к преобразователю ток-напряжение, который соединен со стабилизатором напряжения, подключенным к блоку обработки сигналов и к первому оптическому приемопередатчику, потенциальные электроды шунта и пояс Роговского подключены к блоку обработки сигналов, который подключен к первому оптическому приемопередатчику через оптический канал соединенному со вторым оптическим приемопередатчиком, подключенным к маршрутизатору, а блок питания подключен ко второму оптическому приемопередатчику и к маршрутизатору.
Недостатком указанного устройства является отсутствие диагностики сигнала шунта, отсутствие резервирования сигнала но постоянному току, недостаточная точность измерения тока для систем коммерческого учета электроэнергии, отсутствие синхронизации измерений с системой точного времени, отсутствие возможности работы устройства при отсутствии или малом токе в токопроводе, отсутствие многократного резервирования питания, отсутствие резервирования каналов передачи данных и синхронизации, отсутствие возможности измерения напряжения.
Известно высоковольтное цифровое устройство для измерения тока (Патент на полезную модель РФ №150386, МПК G01R 19/00, 2015 г.), содержащее шунт, аналого-цифровой преобразователь, оптический канал, питающий электромагнитный трансформатор, пояс Роговского, магнитотранзисторный преобразователь и измерительный электромагнитный трансформатор тока, охватывающие токопровод с измеряемым током; первый блок питания, первый электронный блок, блок синхронизации с системой точного времени и аккумуляторную батарею, помещенные внутрь шунта, выполненного цилиндрическим с внутренней полостью и включенного в рассечку токопровода; блок разделительных трансформаторов, помещенные внутрь опорного изолятора; маршрутизатор, второй блок питания, модуль оптической накачки и второй электронный блок, расположенные на низковольтной стороне; при этом первый электронный блок включает аналого-цифровой преобразователь, а второй электронный блок включает маршрутизатор; при чем питающий электромагнитный трансформатор подключен к первому блоку питания, подключенному к первому электронному блоку, потенциальные электроды шунта, пояс Роговского, магнитотранзисторный преобразователь, измерительный электромагнитный трансформатор тока и блок синхронизации с системой точного времени также подключены к первому электронному блоку, первый блок питания дополнительно подключен к блоку синхронизации с системой точного времени, к аккумуляторной батарее и блоку разделительных трансформаторов, модуль оптической накачки через второй оптический канал подключен к первому блоку питания, второй блок питания, подключен ко второму электронному блоку, блоку разделительных трансформаторов и модулю оптической накачки.
Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности измерения напряжения, отсутствие возможности синхронизации по сигналам 1PPS (оптическим или электрическим) и но протоколу РТР и резервирования выходного сигнала по протоколам PRP и HSR, а так же недостаточная надежность из-за отсутствия многократного резервирования питания, отсутствия резервирования датчиков тока, электронных блоков, каналов передачи данных и синхронизации.
Известен цифровой трансформатор тока и напряжения (Патент на полезную модель РФ №174357, МПК G01R 19/00, 2017 г.), принятый за прототип, содержащий питающий электромагнитный трансформатор, измерительный электромагнитный трансформатор тока, магнитотранзисторный преобразователь и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током; цилиндрический шунт с внутренней полостью, включенный в рассечку токопровода; электронный блок, блок резервного питания, помещенные внутрь шунта; два оптических канала и блок разделительных трансформаторов, помещенные внутрь опорного изолятора; блок питания, расположенный на низковольтной стороне, содержит второй питающий электромагнитный трансформатор, второй измерительный электромагнитный трансформатор тока, второй магнитотранзисторный преобразователь, второй пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током, второй блок питания, помещенный внутрь шунта, третий оптический канал и первичный преобразователь напряжения, помещенные в опорный изолятор, второй электронный блок, расположенный на низковольтной стороне и имеющий для подключения внешних устройств не менее восьми аппаратных портов, из которых не менее четырех оптические, а первый блок питания имеет для подключения внешних устройств не менее двух аппаратных портов, из которых не менее чем один оптический, первый электронный блок включает основной и резервный блоки оцифровки обработки и передачи данных, второй электронный блок также включает основной и резервный блоки оцифровки обработки и передачи данных, при этом первый питающий электромагнитный трансформатор и второй питающий электромагнитный трансформатор подключены ко второму блоку питания, к первому электронному блоку подключены потенциальные электроды шунта, первый пояс Роговского, второй пояс Роговского, первый магнитотранзисторный преобразователь, второй магнитотранзисторный преобразователь, первый измерительный электромагнитный трансформатор тока, второй электромагнитный трансформатор тока, первичный преобразователь напряжения и второй блок питания, к которому подключены блок резервного питания, блок разделительных трансформаторов и через второй оптический канал - первый блок питания, который также подключен к блоку разделительных трансформаторов и ко второму электронному блок)', подключенному через первый и третий оптические каналы к первому электронному блоку, при том первый и второй питающие электромагнитные трансформаторы расположены симметрично относительно цилиндрического шунта, первый и второй измерительные электромагнитные трансформаторы тока расположены симметрично относительно цилиндрического шунта, первый и второй магнитотранзисторные преобразователи расположены симметрично относительно цилиндрического шунта, первый и второй пояса Роговского расположены симметрично относительно цилиндрического шунта.
Недостатками указанного устройства являются недостаточная надежность из-за отсутствия резервирования электронных блоков, блоков питания, резервных блоков питания, первичных преобразователей напряжения, каналов передачи информации и сигналов синхронизации. При повреждении любого из указанных элементов устройство перестает функционировать, что приводит к отсутствию данных о токах и напряжениях на входе терминалов релейной защиты и автоматики и других устройств цифровой подстанции.
Технической задачей является создание цифрового трансформатора тока и напряжения с расширенными функциональными возможностями и повышенной надежностью работы.
Технический результат достигается тем, что цифровой трансформатор тока и напряжения, содержащий основной комплект, включающий питающий электромагнитный трансформатор, измерительный электромагнитный трансформатор тока, датчик постоянного и переменного тока и катушку Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током, первый электронный блок подключенный к первому блоку питания соединенному с блоком резервного питания, блок разделительных трансформаторов, первичный преобразователь напряжения и кабели оптических каналов, помещенные внутрь опорного изолятора, второй электронный блок соединенный со вторым блоком питания, расположенные на низковольтной стороне, имеющие аппаратные и оптические порты для подключения внешних устройств; при этом питающий электромагнитный трансформатор подключен к блоку питания соединенному через блок разделительных трансформаторов и оптический кабель для питания при помощи системы оптической накачки со вторым блоком питания, измерительный электромагнитный трансформатор тока, датчик постоянного и переменного тока и катушка Роговского подключены к первому электронному блоку, к которому подключен первичный преобразователь напряжения и второй электронный блок по средством двух оптических кабелей для передачи данных и оптического кабеля синхронизации, дополнительно содержит резервный, полностью идентичный основному, комплект, металлический корпус выполненный составным и разборным, центральная часть которого является токопроводом с внутренней полостью для размещения первого электронного блока, первого блока питания и блока резервного питания основного и резервного комплектов, с одной стороны которого в съемной части корпуса размещены измерительный электромагнитный трансформатор тока, датчик постоянного и переменного тока и катушка Роговского основного комплекта, а с другой стороны во второй съемной части корпуса размещены измерительный электромагнитный трансформатор тока, датчик постоянного и переменного тока и катушка Роговского резервного комплекта, вторые электронные блоки основного и резервного комплектов выполнены с возможностью параллельного подключения к цифровым трансформаторам тока и напряжения соседних фаз, к GPS антенне, к устройству синхронизации выдающему сигнал 1PPS и через коммутаторы к устройству синхронизации работающему по протоколу РТР и к устройству-потребителю метрологической информации, и имеют каждый не менее тринадцати аппаратных портов для подключения внешних устройств, из которых не менее девяти оптических, вторые блоки питания основного и резервного комплектов выполнены с возможностью параллельного подключения к системе собственных нужд подстанции и системе оптической накачки и имеют каждый не менее двух аппаратных портов для подключения внешних устройств, из которых не менее чем один оптический.
На чертеже использованы следующие обозначения. Основной комплект: питающий электромагнитный трансформатор 1, измерительный электромагнитный трансформатор тока 2, датчик постоянного и переменного тока 3, катушка Роговского 4, первый электронный блок 5, первый блок питания 6, блок резервного питания 7, блок разделительных трансформаторов 8, первичный преобразователь напряжения 9, оптический кабель 10 для питания при помощи системы оптической накачки, оптический кабель 11 для передачи данных, оптический кабель 12 для передачи данных, оптический кабель 13 синхронизации, второй электронный блок 14, второй блок питания 15; резервный комплект: питающий электромагнитный трансформатор 1', измерительный электромагнитный трансформатор тока 2', датчик постоянного и переменного тока 3', катушка Роговского 4', первый электронный блок 5', первый блок питания 6', блок резервного питания 7', блок разделительных трансформаторов 8', первичный преобразователь напряжения 9', оптический кабель 10' для питания при помощи системы оптической накачки, оптический кабель 11' для передачи данных, оптический кабель 12' для передачи данных, оптический кабель 13' синхронизации, второй электронный блок 14', второй блок питания 15'; центральная часть корпуса 16, первая съемная часть корпуса 17, вторая съемная часть корпуса 18, токопровод 19, цифровые трансформаторы тока и напряжения соседних фаз 20, GPS (ГЛОНАС) антенна 21, устройство синхронизации, выдающее сигнал 1PPS 22, коммутаторы 23, устройство синхронизации, работающее по протоколу РТР 24, устройства-потребители метрологической информации 25, система собственных нужд подстанции 26, система оптической накачки 27, опорный изолятор 28.
Цифровой трансформатор тока и напряжения, содержащий основной и резервный комплекты. Основной комплект включает: питающий электромагнитный трансформатор 1, измерительный электромагнитный трансформатор тока 2, датчик постоянного и переменного тока 3 и катушку Роговского 4, охватывающие токопровод 19 с измеряемым током размещенные в первой съемной части корпуса 17; первый электронный блок 5 подключенный к первому блоку питания 6 соединенному с блоком резервного питания 7, размещенные в центральной части корпуса 16, являющейся токопроводом; блок разделительных трансформаторов 8, первичный преобразователь напряжения 9 и кабели оптических каналов 10-13, помещенные внутрь опорного изолятора 28; второй электронный блок 14 соединенный со вторым блоком питания 15, расположенные на низковольтной стороне. Питающий электромагнитный трансформатор 1 подключен к первому блоку питания 6 соединенному через блок разделительных трансформаторов 8 и оптический кабель 10 для питания при помощи системы оптической накачки со вторым блоком питания 15, измерительный электромагнитный трансформатор тока 2, датчик постоянного и переменного тока 3 и катушка Роговского 4 подключены к первому электронному блоку 5, к которому подключен первичный преобразователь напряжения 9 и второй электронный блок 14 по средством двух оптических кабелей 11 и 12 для передачи данных и оптического кабеля 13 синхронизации.
Резервный комплект полностью идентичен основному и включает: питающий электромагнитный трансформатор 1', измерительный электромагнитный трансформатор тока 2', датчик постоянного и переменного тока 3' и катушку Роговского 4', охватывающие токопровод 19 с измеряемым током размещенные во второй съемной части корпуса 18; первый электронный блок 5' подключенный к первому блоку питания 6 соединенному с блоком резервного питания 7', размещенные в центральной части корпуса 16, являющейся токопроводом; блок разделительных трансформаторов 8', первичный преобразователь напряжения 9' и кабели оптических каналов 10'-13', помещенные внутрь опорного изолятора 28; второй электронный блок 14' соединенный со вторым блоком питания 15', расположенные на низковольтной стороне. Питающий электромагнитный трансформатор 1' подключен к первому блоку питания 6' соединенному через блок разделительных трансформаторов 8' и оптический кабель 10' для питания при помощи системы оптической накачки со вторым блоком питания 15', измерительный электромагнитный трансформатор тока 2', датчик постоянного и переменного тока 3' и катушка Роговского 4' подключены к первому электронному блоку 5', к которому подключен первичный преобразователь напряжения 9' и второй электронный блок 14' по средством двух оптических кабелей 11' и 12' для передачи данных и оптического кабеля 13' синхронизации.
Металлический корпус выполнен составным и разборным для обеспечения ремонтопригодности устройства, его центральная часть 16 является токопроводом с внутренней полостью для размещения первого электронного блока 5, первого блока питания 6 и блока резервного питания 7 основного комплекта и первого электронного блока 5', первого блока питания 6' и блока резервного питания 7' резервного комплектов. Части корпуса 17 и 18 выполнены съемными. Второй электронный блок 14 основного комплекта и второй электронный блок 14' резервного комплекта выполнены с возможностью параллельного подключения к цифровым трансформаторам тока и напряжения соседних фаз 20, к GPS антенне 21, к устройству синхронизации выдающему сигнал 1PPS 22 и через коммутаторы 23 к устройству синхронизации работающему по протоколу РТР 24 и к устройству-потребителю метрологической информации 25, и имеют каждый не менее тринадцати аппаратных портов для подключения внешних устройств, из которых не менее девяти оптических. Второй блок питания 15 основного комплекта и второй блок питания 15' резервного комплекта выполнены с возможностью параллельного подключения к системе собственных нужд подстанции 26 и к системе оптической накачки 27, и имеют каждый не менее двух аппаратных портов для подключения внешних устройств, из которых не менее чем один оптический.
Катушки Роговского 4 и 4' позволяют измерять токи в рабочих и переходных режимах, имеют линейную амплитудно-частотную характеристики и не искажают форму тока в переходных режимах. Датчики постоянного и переменного тока 3 и 3' предназначены для измерения токов в переходных и аварийных режимах работы с целью снабжения информацией релейной защиты и автоматики, работают в линейном диапазоне с токами короткого замыкания высокой кратности и осуществляют преобразование тока без искажения в широком спектре частот, включая постоянную и апериодическую составляющие. В качестве датчиков постоянного и переменного тока могут использоваться магнитотранзисторный преобразователь тока, преобразователь на датчиках Холла и т.д.
Измерительные электромагнитные трансформаторы тока 2 и 2' имеют высокий класс точности и предназначены для измерения токов с целью учета электроэнергии. Первичные преобразователи напряжения 9 и 9' могут быть выполнены в виде резистивных, активно-емкостных, емкостных.
Цифровой трансформатор тока и напряжения работает следующим образом. При протекании электрического тока по токопроводу 19 и при подаче напряжения на линию, в каждой катушке Роговского 4 и 4' наводятся ЭДС, равные , на выходе каждого датчика постоянного и переменного тока 3 и 3', на выходе каждого измерительного электромагнитного трансформатора тока 2 и 2' появляются вторичные токи, на верхнем плече каждого первичного преобразователя напряжения 9 и 9' появляются напряжение, поступающие соответственно на первые электронные блоки 5 и 5', где они обрабатывается в соответствии с запрограммированными алгоритмами, в том числе преобразуются в цифровую, а затем в оптическую форму. Также на первые электронные блоки 5 и 5' через определенный интервал времени поступает сигнал синхронизации, соответственно от вторых электронных блоков 14 и 14' через оптические кабели 13 и 13' для синхронизации.
Информационный поток об измеренных токах при помощи катушки Роговского 4 и напряжении от первого электронного блока 5 через оптический кабель 11 для передачи данных поступает на второй электронный блок 14. Информационный поток об измеренных токе при помощи датчика постоянного и переменного тока 3 и напряжении от первого электронного блока 5 через оптический кабель 11 для передачи данных поступает на второй электронный блок 14. Информационный поток об измеренных токе при помощи измерительного электромагнитного трансформатора тока 2 и напряжении через оптический кабель 12 для передачи данных поступает на второй электронный блок 14.
Аналогично информационный поток об измеренных токах при помощи катушки Роговского 4' и напряжении от первого электронного блока 5' через оптический кабель 11' для передачи данных поступает на второй электронный блок 14'. Информационный поток об измеренных токе при помощи датчика постоянного и переменного тока 3' и напряжении от первого электронного блока 5' через оптический кабель 11' для передачи данных поступает на второй электронный блок 14'. Информационный поток об измеренных токе при помощи измерительного электромагнитного трансформатора тока 2' и напряжении через оптический кабель 12' для передачи данных поступает на второй электронный блок 14'.
На вторые электронные блоки 14 и 14' через соответствующие аппаратные порты также поступают сигналы от цифровых трансформаторов тока и напряжения соседних фаз 20 и сигнал синхронизации в зависимости от типа используемого источника синхронизации (GPS-антенна или сигнал 1PPS (оптический) или сигнал 1PPS (электрический) или пакет данных, соответствующий протоколу РТР).
Вторые электронные блоки 14 и 14' обрабатывают поступившие полученные данные в соответствии с запрограммированными алгоритмами, в том числе преобразует и передает их в соответствии с используемыми протоколами обмена данными с устройствами-потребителями информации о токах и напряжениях (например, IEC 61850 - 9-2). Потребителями информации могут быть устройства релейной защиты и автоматики, устройства учета электроэнергии и др.
Электрический ток от питающего электромагнитного трансформатора 1, возникающий при протекании тока по токопроводу 19, поступает на первый блок питания 6, где осуществляется выпрямление, сглаживание, ограничение выходного напряжения. Питание для электронного блока 5 подается от первого блока питания 6. В свою очередь питание к первому блоку питания 6 подается либо от питающего электромагнитного трансформатора 1 (нормальный режим эксплуатации), либо от блока резервного питания 7. В случае, если в блоке резервного питания 7 используется аккумуляторная батарея и/или ионистор в нормальном режиме эксплуатации они подзаряжаются от первого блока питания 6. Ко второму блоку питания 15 подключается система собственных нужд подстанции 26 и система лазерной накачки 27. Второй блок питания 15 передает через оптический кабель 10 для питания оптический сигнал от системы лазерной накачки 27 первому блоку питания 6, где он соответственно, преобразуется в электрический сигнал, используемый для питания первого электронного блока 5 внутри центральной части корпуса 16, по которой протекает первичный измеряемый электрический ток. Оптический сигнал от системы лазерной накачки 27 может также преобразовываться в электрический сигнал вторым блоком питания 15 для питания второго электронного блока 14 на низковольтной стороне цифрового трансформатора тока и напряжения. Электрический сигнал от второго блока питания 15 может быть подан на блок разделительных трансформаторов 8, а затем на первый блок питания 6.
Аналогичным образом работает система питания резервного комплекта. Электрический ток от питающего электромагнитного трансформатора 1', возникающий при протекании тока по токопроводу 19, поступает на первый блок питания 6', где осуществляется выпрямление, сглаживание, ограничение выходного напряжения. Питание для электронного блока 5' подается от первого блока питания 6'. В свою очередь питание к первому блоку питания 6' подается либо от питающего электромагнитного трансформатора 1' (нормальный режим эксплуатации), либо от блока резервного питания 7'. В случае, если в блоке резервного питания 7' используется аккумуляторная батарея и/или ионистор в нормальном режиме эксплуатации они подзаряжаются от первого блока питания 6'. Ко второму блоку питания 15' подключается система собственных нужд подстанции 26 и система лазерной накачки 27. Второй блок питания 15' передает через оптический кабель 10' для питания оптический сигнал от системы лазерной накачки 27 первому блоку питания 6', где он соответственно, преобразуется в электрический сигнал, используемый для питания первого электронного блока 5' внутри центральной части корпуса 16, по которой протекает первичный измеряемый электрический ток. Оптический сигнал от системы лазерной накачки 27 может также преобразовываться в электрический сигнал вторым блоком питания 15' для питания второго электронного блока 14' на низковольтной стороне цифрового трансформатора тока и напряжения. Электрический сигнал от второго блока питания 15' может быть подан на блок разделительных трансформаторов 8', а затем на первый блок питания 6'.
Испытания экспериментального образца заявляемого цифрового трансформатора тока и напряжения были выполнены на уникальной научной установке №507666 "Многофункциональный испытательный комплекс (МИК) для исследования первичных преобразователей тока и напряжения, устройств цифровой подстанции и устройств релейной защиты и автоматики" в Ивановском государственном энергетическом университете. Испытания подтвердили то, что заявляемый цифровой трансформатор тока и напряжения обладает расширенными функциональными возможностями и повышенной надежностью работы по сравнению с аналогами и прототипом.
Таким образом, выполнение металлического корпуса разборным, дублирование системы измерений, системы передачи данных, системы синхронизации и системы питания обеспечивает расширение функциональных возможностей при обеспечении надежной работы устройства.