УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ
DEVICE TO MEASURE CURRENT IN HIGH-VOLTAGE CIRCUIT WITH REMOTE DATA TRANSFER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного тока, преимущественно при напряжениях от 6(10) кВ.
Известно устройство для измерения переменного тока в высоковольтной цепи по патенту RU №2408891, МПК G01R 19/25, 10.01.2011, содержащее датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, оптический кабель для передачи цифрового кода под потенциал земли, цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифрового кода в сигнал, пропорциональный измеряемому току. При этом в устройстве в качестве датчика тока используется установленный на проводнике с измеряемым током, низковольтный измерительный трансформатор тока, вторичная обмотка которого имеет контакт с высоковольтным проводником с измеряемым током и присоединена к входу аналого-цифрового преобразователя, питаемого от источника постоянного напряжения, получаемого с использованием трансформации измеряемого тока. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя через устройство задержки подан на цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к приемнику сигнала, корпус цифроаналогового преобразователя и корпус приемника сигнала находятся под потенциалом земли.
Известное устройство для измерения переменного тока в высоковольтной цепи имеет следующие недостатки:
- высокая погрешность измерения, вызванная влиянием магнитных и электрических полей от токопроводов соседних фаз, которые обычно находятся на небольшом расстоянии друг от друга;
- высокая чувствительность электронных устройств и компонентов к электрическим и магнитным полям от токопровода с измеряемым током;
- возможность выхода из строя электронной аппаратуры при воздействии больших внутренних электрических потенциалов, наведенных в аппаратуре токами короткого замыкания или коммутационными перенапряжениями;
- прекращение измерения и передачи измеряемого сигнала при протекании токов короткого замыкания в первичной обмотке трансформаторов тока вследствие прекращения питания. При коротком замыкании ток в первичной обмотке приближается по форме к постоянному, а во вторичной обмотке трансформатора тока, ответственного за питание всего устройства, перестает индуцироваться ЭДС и питание пропадает;
- по принципу действия устройство может работать только в сетях переменного напряжения.
Наиболее близким техническим решением является высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока по патенту RU №2346285, МПК G01R 19/00, 10.02.2009, содержащее шунт, включенный параллельно и имеющий непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок, передающий цифровую информацию о силе тока с помощью электромагнитных волн (радио- или оптического диапазона), делитель напряжения, предназначенный для питания измерительного устройства, опорный изолятор, приемник, находящийся под потенциалом низкого напряжения (земли). Устройство помещается внутрь токопровода с измеряемым током. Поэтому электронная аппаратура, помещенная внутрь токопровода, не испытывает воздействия электромагнитных полей. При этом токопровод защищает аппаратуру от возможных внешних и внутренних перенапряжений, а также минимизирует температурный градиент между шунтирующей и измерительной частью цепи. Благодаря этому соблюдается одинаковое изменение проводимости материала шунтирующей и измеряемой цепи токопровода, и соответственно компенсируются температурные изменения окружающей среды. Отсутствие необходимости во внешних устройствах позволяет полость токопровода с измерительным устройством сделать герметичной. Так как электрический ток распространяется по поверхности проводника и с ростом частоты тока толщина околоповерхностного слоя, по которому распространяется ток, уменьшается, устройству не угрожают грозовые и коммутационные перенапряжения большой частоты.
Основными недостатками известного устройства являются низкая надежность работы, высокие массогабаритные параметры и стоимость, в том числе монтажа и наладки. Кроме этого, в случае его использования в качестве датчика тока в автоматизированной системе управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики, оно требует дополнительных затрат на проектирование, монтаж и установку устройств сопряжения с объектом (УСО) с последующей интеграцией в указанную автоматизированную систему управления. Недостатки обусловлены тем, что в его конструкции для установки измерительной части над приемником используется опорный изолятор, для питания измерительной части применен делитель напряжения, требующий подключения к потенциалу земли, а также из-за отсутствия в его конструкции компонентов, обеспечивающих «бесшовную» интеграцию такого устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики.
Задача изобретения - повышение надежности работы устройства, уменьшение его габаритов и стоимости, в том числе монтажа и наладки, а также повышение удобства и гибкости решений по компоновке оборудования при возведении, реконструкции и реновации распределительных устройств (РУ) на электроэнергетических объектах.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, содержащее источник питания, датчик тока, выполненный в виде измерительного шунта, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, аналогово-цифровой преобразователь и передатчик, при этом передача информации о величине измеряемого тока производится посредством аппаратуры связи по оптическому каналу или радиоканалу, а само устройство находится под потенциалом высокого напряжения в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, согласно предлагаемому изобретению, дополнительно введены микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, а также промежуточный или базовый сервер, первая и вторая низкочастотные катушки индуктивности, фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания, экранирующий герметичный кожух, при этом источник питания выполнен в виде питающего шунта, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, причем питающий шунт последовательно соединен с первой низкочастотной катушкой индуктивности и подключен через последовательно соединенные фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания к микроконтроллеру связи, а измерительный шунт последовательно соединен со второй низкочастотной катушкой индуктивности и также подключен к микроконтроллеру связи, при этом микроконтроллер связи соединен посредством аппаратуры связи и оптического канала или радиоканала с промежуточным или базовым сервером, причем микроконтроллер связи выполнен с возможностью бесшовного интегрирования устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики, а само устройство расположено снаружи токопровода и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха.
Таким образом, технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации отсутствуют опорный изолятор, делитель напряжения, блок, передающий цифровую информацию о силе тока с помощью электромагнитных волн.
При этом в него введен микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, который с аппаратурой связи осуществляет сбор, преобразование, обработку, хранение и передачу полученной информации о величине измеряемого тока по каналу связи (оптическому каналу или радиоканалу) на промежуточный или базовый сервер автоматизированной системы управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики.
В предлагаемом устройстве применяется беспроводной или оптический канал связи с протоколом передачи, определяемым только структурой и принципом построения автоматизированной системы управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики.
Протоколы передачи информации с устройства на промежуточный или базовый сервер автоматизированной системы управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики определяются программно или непосредственно при монтаже устройства, или дистанционно в процессе эксплуатации с помощью соответствующих программных продуктов.
Кроме этого в устройство введены первая и вторая низкочастотные катушки индуктивности, фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания, при этом источник питания выполнен в виде питающего шунта, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение. Питающий шунт подключен через последовательно соединенные фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания к микроконтроллеру связи, а измерительный шунт также подключен к микроконтроллеру связи, причем для повышения надежности работы за счет защиты цепей измерения и источника питания от разрушительных процессов, возникающих при внешних или внутренних перенапряжениях в высоковольтной цепи, последовательно питающему и измерительному шунтам установлены соответственно первая и вторая низкочастотные катушки индуктивности, имеющие большие сопротивления при протекании по ним токов высокой частоты.
Устройство размещено внутри экранирующего герметичного кожуха. Устройство может быть установлено в любом подходящем по размерам месте в РУ классов напряжения от 6(10) кВ и выше. В качестве основной изоляции в устройстве используется воздушная изоляция, определяемая только расстоянием между токопроводом и заземленными частями РУ, поэтому одно и то же устройство может быть применимо в РУ различных классов напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная структурная схема предлагаемого устройства для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации.
Цифрами на чертеже обозначены:
1 - токопровод, на котором производится измерение;
2 - измерительный шунт;
3 - питающий шунт;
4 - микроконтроллер связи, имеющий в своем составе аналогово-цифровой преобразователь;
5 - стабилизирующий элемент источника питания устройства;
6 - фильтрующий элемент источника питания устройства;
7 - аппаратура связи;
8 - канал связи (оптический канал или радиоканал);
9 - вторая низкочастотная катушка индуктивности;
10 - промежуточный или базовый сервер;
11 - первая низкочастотная катушка индуктивности;
12 - экранирующий герметичный кожух.
Устройство для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации содержит источник питания, датчик тока, выполненный в виде измерительного шунта 2, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом 1, на котором производится измерение, и передатчик, при этом передача информации о величине измеряемого тока производится посредством аппаратуры 7 связи по каналу 8 связи (оптическому каналу или радиоканалу).
Отличием предлагаемого устройства для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации является то, что в него дополнительно введены микроконтроллер 4 связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, а также промежуточный или базовый сервер 10, первая 11 и вторая 9 низкочастотные катушки индуктивности, фильтрующий элемент 6 источника питания (содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения в случае работы в сетях переменного тока, а также фильтр низких частот, которые на чертеже условно не показаны), стабилизирующий элемент 5 источника питания (содержит аккумулятор и зарядное устройство аккумулятора) и экранирующий герметичный кожух 12.
Источник питания выполнен в виде питающего шунта 3, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом 1, на котором производится измерение. Питающий шунт 3 последовательно соединен с первой низкочастотной катушкой 11 индуктивности и подключен через последовательно соединенные фильтрующий 6 и стабилизирующий 5 элементы источника питания к микроконтроллеру 4 связи. Причем, в случае работы предлагаемого устройства в сетях переменного тока, питающий шунт 3 подключен к источнику постоянного питания через выпрямитель переменного напряжения, как минимум, с одним нелинейным элементом (на чертеже условно не показаны).
Измерительный шунт 2 последовательно соединен со второй 9 низкочастотной катушкой индуктивности и также подключен к микроконтроллеру 4 связи. Микроконтроллер 4 связи соединен посредством аппаратуры 7 связи и канала 8 связи (оптического канала или радиоканала) с промежуточным или базовым сервером 10. Микроконтроллер 4 связи выполнен с возможностью «бесшовного» интегрирования устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики, а само устройство находится под потенциалом высокого напряжения снаружи токопровода 1 и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха 12 (в зоне отсутствия магнитных и электрических полей).
Устройство для измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации работает следующим образом.
ш.и.
отв
шунт
Падение напряжения на измерительном шунте 2 фиксируется микроконтроллером 4 связи, который, с помощью встроенного АЦП, преобразует величину напряжения U=I·R в цифровой код. Далее, согласно заложенному в микроконтроллер 4 связи программному алгоритму, микроконтроллер 4 преобразует к наиболее удобному виду цифровой код, обрабатывает его, в том числе с помощью подпрограммы цифрового фильтра и сохраняет выборки во встроенную память. Одновременно выборки подаются в аппаратуру 7 связи.
Аппаратура 7 связи из полученных от микроконтроллера 4 связи цифровых сигналов формирует согласно заложенным протоколам связи информационные сообщения (телеизмерения) и отсылает их на промежуточный или базовый сервер 10 автоматизированной системы управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики. Помимо беспроводных каналов 8 (и соответственно протоколов) связи, аппаратура 7 связи может передавать информацию по оптоволокну.
ш.пит.
пит.
шунт
Для питания микроконтроллера 4 связи и аппаратуры 7 связи в устройстве предусмотрен источник питания, основным элементом которого является питающий шунт 3, включенный в токопровод 1 измеряемой цепи (U=I·R). Далее питающее напряжение с питающего шунта 3 подается на фильтрующий элемент 6 источника питания, который содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения (в случае работы в сетях переменного тока), а также фильтр низких частот (на чертеже условно не показаны). Выпрямленное (или постоянное) питающее напряжение с фильтрующего элемента 6 подается на стабилизирующий элемент 5 источника питания, который содержит аккумулятор (батарею) и зарядное устройство (на чертеже условно не показаны). В последнем случае обеспечивается надежная работа всего устройства, как в режиме холостого хода, так и при полном отсутствии тока в измеряемой цепи (когда она отключена полностью).
Вся электронная аппаратура устройства размещается в экранирующем герметичном кожухе 12, находящемся под потенциалом высоковольтной цепи, в которой происходит измерение тока. Экранирующий герметичный кожух 12 позволяет защитить электронную аппаратуру устройства от воздействия электромагнитных полей, коммутационных или грозовых перенапряжений, а также минимизировать температурный градиент между шунтирующей и измеряемой цепями токопровода. Благодаря тому, что соблюдается одинаковое изменение проводимости материала шунтирующей и измеряемой цепи токопровода, и соответственно компенсируются температурные изменения окружающей среды, уменьшается погрешность, увеличивается точность и надежность измерения тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации.
Устройство может быть использовано как в сетях постоянного, так и переменного тока.
Техническими результатами, обеспечиваемыми при использовании предлагаемого изобретения, являются:
1. Повышение надежности работы устройства при воздействии коммутационных и атмосферных перенапряжений в высоковольтной цепи, а также помех, наведенных токами короткого замыкания.
2. Уменьшение массогабаритных параметров и стоимости устройства.
3. Исключение гальванической связи между частями электроустановки, находящимися под потенциалом высокого напряжения с одной стороны и потенциалом низкого напряжения (земли) с другой.
4. Повышение удобства и гибкости решений при компоновке устройства на вновь вводимых и реконструируемых РУ.
5. Обеспечение простой и удобной «бесшовной» интеграции устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики.
6. Применение устройства без существенных конструктивных изменений в РУ различных классов напряжения.