УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ
DEVICE FOR MEASURING AC VOLTAGE AND VOLTAGE WITH GALVANIC DISTRIBUTION

Изобретение относится к электрическому оборудованию для измерения (масштабного преобразования) величин переменного тока и напряжения, не пригодных для измерения стандартными электроизмерительными приборами, до величин тока и напряжения соответственно, пригодных для измерения стандартными электроизмерительными приборами, а также для обеспечения гальванической развязки между электрической цепью, в которой производится измерение, и цепями выходов.
В качестве электрического оборудования для измерения (масштабного преобразования) величин переменного тока и напряжения, с обеспечением гальванической развязки, в настоящее время повсеместно применяются классические электромагнитные измерительные трансформаторы тока и напряжения. Их описания можно найти в следующих источниках:
1. Барзилович В.М. Высоковольтные трансформаторы тока. Л.: «Госэнергоиздат», 1962 г.
2. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока. Л.: «Энергия», 1964 г.
3. Вавин В.Н. Трансформаторы тока. М.: «Энергия», 1966 г.
4. Вавин В.Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи. 2-е изд. - М.: «Энергия», 1977 г.
5. Трансформаторы тока / В.В. Афанасьев, Н.М. Адоньев, В.М. Кибель и др. - 2-е изд., - Л.: «Энергоатомиздат». Ленингр. Отд., 1989 г.
Более современное электрическое оборудование для измерения (масштабного преобразования) величин переменного тока и напряжения тока и напряжения известно, как преобразователи с измерением тока и напряжения на основе эффектов Фарадея и Поккельса, Холла. Также известны преобразователи, преобразующие ток или напряжение первичными высокоточными датчиками, находящиеся около измеряемой цепи, а в некоторых случаях имеющие с ней одинаковый потенциал, с дальнейшим преобразованием измеренной величины тока или напряжения в магнитный, электромагнитный или оптический сигнал, при этом расстояние между передатчиком и приемником сигнала служит гальванической развязкой. Это электрическое оборудование известно из следующих источников:
6. Преобразователь типа NXVCT производства фирмы "NxtPhase T&D Corporation": http://pro-ln.ru/ru/production_services/nxvct.html (ссылка в сети интернет).
7. Датчики типов NCS или ES производства концерна ABB: http://fmccgroup.ru/products/protecting_measuring/sensors (ссылка в сети интернет).
8. Голодолинский Г. В. Электрооптические методы и аппаратура для измерения токов и напряжений // «Электричество», 1963 г., №4, стр. 24-27.
9. Марценюк С.И. Оптико-электронный трансформатор тока и напряжения // «Энергоэксперт», 2012 г. №4 (44), стр. 42-45.
10. Авторское свидетельство СССР №099753 «Устройство для измерения электрических напряжений в высоковольтных сетях», авт. Голодолинский Г В., приоритет 10.02.1953 г.
11. Авторское свидетельство СССР №110607 «Устройство для измерения электрических напряжений в высоковольтных сетях», авт. Голодолинский Г.В., приоритет 10.05.1956 г.
12. Патент РФ на изобретение №2166218 «Измерительный трансформатор тока».
13. Патент РФ на изобретение №2171996 «Датчик тока».
14. Патент РФ на изобретение №2176799 «Способ бесконтактного цифрового измерения тока и устройство его реализации».
15. Патент РФ на изобретение №2222021 «Способ измерения переменного электрического тока или напряжения и устройство для его осуществления».
16. Патент РФ на изобретение №2223512 «Способ оптоэлектронного измерения тока».
17. Патент РФ на изобретение №2261450 «Способ измерения высоковольтного напряжения».
18. Патент РФ на изобретение №2346285 «Высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока».
19. Патент РФ на изобретение №2365922 «Оптико-электронный датчик тока».
20. Патент РФ на изобретение №2368906 «Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока».
21. Патент РФ на изобретение №2371729 «Датчик тока и напряжения».
22. Патент РФ на изобретение №2408891 «Устройство для измерения тока в высоковольтной сети, способ измерения переменного тока».
23. Патент РФ на изобретение №2437106 «Волоконно-оптический датчик тока».
24. Патент РФ на изобретение №2438138 «Волоконно-оптический трансформатор тока».
25. Патент РФ на изобретение №2451941 «Волоконно-оптический измерительный преобразователь тока».
26. Патент РФ на изобретение №2482502 «Устройство для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации».
27. Патент РФ на изобретение №2482503 «Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации».
28. Патент РФ на изобретение №2508554 «Комбинированное электрическое измерительное устройство».
29. Патент РФ на изобретение №2516034 «Устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной сети».
30. Патент РФ на изобретение №2525581 «Электронный датчик тока и напряжения на высоком потенциале».
31. Патент РФ на изобретение №2531040 «Датчик тока изолированный».
32. Патент РФ на изобретение №2555524 «Электронный трансформатор тока».
33. Патент РФ на полезную модель №100284 «Устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой».
34. Патент РФ на полезную модель №166063 «Устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной сети».
Наиболее близким по технической сущности к патентуемому устройству следует считать устройства, описанные в источниках [9], [29], [33] и [34].
Эти устройства содержат первичный преобразователь тока (в частности, электромагнитный трансформатор тока или токовый шунт), первичный преобразователь напряжения (в частности, делитель напряжения), масштабирующие ток и напряжение до величин, пригодных для обработки электронными схемами, с дальнейшим кодированием сигнала аналого-цифровым преобразователем и передачей его по оптическим каналам связи (световодам) на цифро-аналоговые преобразователи, с дальнейшей выдачей аналогового масштабированного сигнала. Оптический канал связи служит гальванической развязкой, а датчик тока (трансформатор тока или токовый шунт), находящийся непосредственно около цепи, в которой происходит измерение тока, совместно с цифровой обработкой и передачей сигнала гарантирует заданную точность измерения (масштабного преобразования). Питание для работы аналого-цифрового преобразователя, находящегося на стороне потенциала цепи, в которой производится измерение, осуществляется при помощи оптических каналов связи, с преобразованием светового потока в электрический ток с помощью фотопреобразователя, или от быстронасыщающегося трансформатора тока, работающего совместно с блоком питания, или от трансформатора, работающего от тока высоковольтного делителя напряжения.
Недостатками указанных устройств служит:
- малый диапазон измеряемых токов - ввиду наличия электромагнитного трансформатора тока, работающего в качестве первичного преобразователя, обеспечивается измерение тока в небольшом заданном диапазоне токов - как правило, до 120% от его номинального значения тока. Трансформаторы, которые обеспечивают большие диапазоны измерения (до 40 - 60 крат от номинального значения тока), не могут выполнить измерение тока с высокой точностью при малых значениях тока (до 120% номинального);
- невозможность работы как устройств для защиты от токов короткого замыкания (для устройств по источникам [29], [34]), ввиду того, что для устройств защиты необходимо постоянно быть в работе - даже при продолжительном отсутствии напряжения и тока в цепи, в которой производится измерение (масштабное преобразование). Аналого-цифровые преобразователи и источники питания устройств, описанные в источниках [29] и [34], при длительном отсутствии тока и напряжения в цепи не смогут быстро стартовать и передать измеренный (масштабированный) сигнал о токе в измеряемой цепи;
- излишняя сложность устройства - ввиду наличия 2-х аналого-цифровых преобразователей и 2-х цифро-аналоговых преобразователей, находящихся на стороне потенциала цепи, в которой производится измерение. При аналого-цифровом преобразовании величины напряжения на потенциале цепи, в которой производится измерение, смысл такой развязки есть (устройство по источнику [29]), а при аналого-цифровом преобразовании напряжения на стороне приборов измерения (устройство по источнику [34]) смысл двойного преобразования теряет смысл, добавляет излишнюю погрешность в измерение (масштабное преобразование) и делает устройство ненадежным ввиду его сложности. Наличие быстронасыщающегося трансформатора и блока питания в качестве источника питания для аналого-цифрового преобразователя без дополнительных источников (устройство по источнику [34]), находящегося на стороне потенциала измеряемой цепи, ограничивает измерение токов с нуля, так как быстронасыщающийся трансформатор также начинает работать с определенного минимального значения тока.
Изобретением решается задача расширения диапазона измеряемых токов от нуля до 40-60 крат номинального, упрощения устройства, повышения его надежности и придания нового качества устройству - возможность работы в составе систем защиты цепи от токов короткого замыкания.
В качестве реализации предлагается для патентования два варианта нового устройства. Схема нового устройства, вариант 1, приведена на фиг. 1. Патентуемое устройство содержит (цифры на фиг. 1):
1 - электромагнитный трансформатор тока для измерения (масштабного преобразования) тока цепи с высокой точностью в диапазоне до 120% от номинального тока;
2 - трансформатор тока с воздушным сердечником (пояс Роговского) или с сердечником из ферромагнетика с сосредоточенным или рассредоточенным немагнитным зазором для измерения (масштабного преобразования) тока с высокой точностью в диапазоне от 1 до 60 от номинального тока;
3 - аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом преобразованного сигнала, для преобразования сигнала тока в цифровой код и выдачи его в виде оптического сигнала;
4 - оптическое стеклянное волокно (оптоволоконный кабель) или оптический канал связи для обеспечения гальванической развязки;
5 - блок питания для обеспечения стабилизированным напряжением аналого-цифрового преобразователя с оптическим выходом;
6 - фотопреобразователь для преобразования светового потока, направленного с другой стороны гальванической развязки, в электрическую энергию и подачи ее на блок питания;
7 - излучатель светового потока, для создания светового потока;
8 - световоды для передачи светового потока на сторону потенциала цепи, в которой производится измерение, и создания гальванической развязки;
9 - цифро-аналоговый преобразователь с оптическим входом;
10 - делитель напряжения;
11 - устройство согласования выхода с трансформаторной гальванической развязкой.
Взамен комплекса устройств, передающих энергию для питания аналого-цифрового преобразователя на стороне потенциала цепи, в которой производится измерение (фотопреобразователь 6, излучатель светового потока 7 и световоды для передачи светового потока 8) также может быть применена не менее эффективная схема с передачей энергии через переменное синусоидальное магнитное поле взаимосвязанных индуктивных катушек, настроенных в резонанс.
Схема устройства, вариант 2, с передачей энергии через переменное синусоидальное магнитное поле взаимосвязанных индуктивных катушек, настроенных в резонанс, приведена на фиг. 2.
Устройство содержит (цифры на фиг. 2):
1 - электромагнитный трансформатор тока для измерения (масштабного преобразования) тока цепи с высокой точностью в диапазоне до 120% от номинального тока;
2 - трансформатор тока с воздушным сердечником (пояс Роговского) или с сердечником из ферромагнетика с сосредоточенным или рассредоточенным зазором для измерения (масштабного преобразования) тока цепи с высокой точностью в диапазоне от 1 до 60 от номинального тока;
3 - аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом преобразованного сигнала для преобразования сигнала тока в цифровой код и выдачи его в виде оптического сигнала;
4 - оптическое стеклянное волокно (оптоволоконный кабель) или оптический канал связи для обеспечения гальванической развязки;
5 - блок питания для обеспечения стабилизированным напряжением аналого-цифрового преобразователя с оптическим выходом;
9 - цифро-аналоговый преобразователь с оптическим входом;
10 - делитель напряжения;
11 - устройство согласования выхода с трансформаторной гальванической развязкой;
12 - приемная катушка, расположенная на потенциале цепи;
13 - катушка передачи энергии, расположенная на потенциале выходов;
14 - генератор для создания резонансной частоты, при котором система передачи энергии будет работать с максимальным КПД.
Введением для первичного преобразования тока трансформатора тока и трансформатора тока с воздушным сердечником (пояс Роговского) или с сердечником из ферромагнетика с сосредоточенным или рассредоточенным зазором позволит измерять (масштабировать) токи как в нормальном диапазоне (от 1 до 120% номинального значения), так и токи короткого замыкания (до 40-60 крат номинального значения), а использование системы передачи энергии через гальваническую развязку (устройство вариант 1) или через переменное магнитное поле (устройство вариант 2), придает устройству совершенно новое качество - работа в качестве первичного датчика для комплексов защиты от токов короткого замыкания. Кроме этого, устранение одного аналого-цифрового и одного цифро-аналогового преобразователей, быстро-насыщающегося трансформатора упрощает устройство и тем самым повышается его надежность.
Патентуемое устройство, вариант 1 и вариант 2 работает следующим образом (фиг. 1 и фиг. 2). При протекании измеряемого тока через трансформатор тока 1 и одновременно через трансформатор тока с воздушным сердечником 2 происходит масштабное преобразование тока, сигнал от преобразования передается в аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом 3. В аналого-цифровом преобразователе 3 сигнал масштабирования тока преобразуется в цифровую форму и переводится в оптический вид, и по оптическому стеклянному волокну (оптоволоконному кабелю), или оптическому каналу связи 4 передается в цифро-аналоговый преобразователь с оптическим входом 9, где сигнал принимается в оптической форме, преобразуется в электрический и расшифровывается, преобразуется в аналоговый вид, идентичный исходному сигналу тока с определенным коэффициентом масштабирования. Измерение напряжения происходит делителем напряжения 10, на выходе которого имеется сигнал, идентичный исходному сигналу напряжения, с определенным коэффициентом масштабирования. Для неизменности коэффициента масштабирования напряжения в зависимости от нагрузки, между высокоомным делителем напряжения 10 и выходной цепью вводится устройство согласования выхода с трансформаторной гальванической развязкой 11, которое представляет собой высокоточный аналоговый усилитель напряжения с трансформаторным выходом, у которого входное сопротивление неизменно от выходной нагрузки, что не изменяет сопротивление и емкость нижнего плеча делителя напряжения 10, и тем самым обеспечивает неизменность коэффициента масштабирования напряжения. Питание аналого-цифрового преобразователя с оптическим выходом 3 осуществляется в двух вариантах патентуемого устройства по разному.
В варианте 1 устройства питание осуществляется от блока питания 5 с фотопреобразователем 6, который представляет собой маломощную солнечную батарею, на который направлен световой поток через световоды 8 от излучателя светового потока 7, представляющего собой несколько сверх ярких светодиодов. Световоды 8 выполнены из непроводящего материала, и тем самым обеспечивают гальваническую развязку цепей питания и цепью, в которой происходит измерение. В источнике [9] описана практическая реализация этого метода передачи энергии с положительными результатами - для питания аналого-цифрового преобразователя достаточно мощности сверх ярких светодиодов суммарной мощностью 3 Вт, что является достойным результатом.
В варианте 2 устройства питание аналого-цифрового преобразователя 3 осуществляется от блока питания 5 с приемной катушкой 12. В катушке 12 напряжение индуцируется переменным магнитным полем, создаваемым катушкой передачи энергии 13, находящейся на потенциале цепей выхода. Ввиду наличия расстояния между приемной катушкой 12 и катушкой передачи энергии 13 создается гальваническая развязка между цепью, в которой производится измерение, и цепями выхода. Дополнительно, для более эффективной передачи энергии, для питания катушки передачи энергии 13 в систему передачи энергии введен генератор для создания резонансной частоты 14, при котором система передачи энергии через катушки будет работать с максимальным КПД.
В результате создано устройство, обладающее новым качеством - возможностью работы в составе систем защиты цепи от токов короткого замыкания, расширен диапазон измеряемых токов, устройство является более простым и надежным по сравнению с аналогами.