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 датчика тока 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 возможности измерения напряжения.
Известно высоковольтное цифровое устройство для измерения тока (Патент на полезную модель РФ № 150386, МПК G01R 19/00, 2015 г.), принятое за прототип, 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.
Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности измерения напряжения, отсутствие возможности синхронизации по сигналам 1PPS (оптическим или электрическим) и по 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 и электронных блоков.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей при обеспечении надежной работы устройства.
Технический результат достигается тем, что цифровой трансформатор тока и напряжения, 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, дополнительно 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 блоку, 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.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже использованы следующие обозначения: токопровод 1, первый питающий электромагнитный трансформатор 2, первый измерительный электромагнитный трансформатор тока 3, первый магнитотранзисторный преобразователь 4, первый пояс Роговского 5, цилиндрический шунт 6, второй пояс Роговского 7, второй магнитотранзисторный преобразователь 8, второй измерительный электромагнитный трансформатор тока 9, второй питающий электромагнитный трансформатор 10, первый электронный блок 11, основной блок оцифровки, обработки и передачи данных (ООПД) 12, резервный блок ООПД 13, второй блок питания 14, блок резервного питания 15, первый оптический канал 16, третий оптический канал 17, второй оптический канал 18, блок разделительных трансформаторов 19, первичный преобразователь напряжения 20, второй электронный блок 21, основной блок ООПД 22, резервный блок ООПД 23, первый блок питания 24, опорный изолятор 25, цифровые трансформаторы тока и напряжения соседних фаз 26, GPS (ГЛОНАС) - антенна 27, устройство синхронизации, выдающее сигнал 1PPS 28, устройство синхронизации, работающее по протоколу РТР 29, устройства-потребители метрологической информации или коммутаторы 30, система собственных нужд подстанции 31, система оптической накачки 32.
Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока содержит токопровод 1, в рассечку которого включен цилиндрический шунт 6 (совмещен с токопроводом). Первый питающий электромагнитный трансформатор 2, первый измерительный электромагнитный трансформатор тока 3, первый магнитотранзисторный преобразователь 4, первый пояс Роговского 5 охватывают токопровод 1 с измеряемым током, являются основным комплектом датчиков. Второй пояс Роговского 7, второй магнитотранзисторный преобразователь 8, второй измерительный электромагнитный трансформатор тока 9, второй питающий трансформатор 10 также охватывают токопровод 1, являются резервнымкомплектом датчиков, и расположены симметрично основному комплекту датчиков относительно цилиндрического шунта 6. Внутрь цилиндрического шунта 6 помещены: первый электронный блок 11, включающий основной блок ООПД 12 и резервный блок ООПД 13, второй блок питания 14, блок резервного питания 15. Первый оптический канал 16, третий оптический канал 17, второй оптический канал 18, блок разделительных трансформаторов 19 и первичный преобразователь напряжения 20 помещены внутрь опорного изолятора 25. Второй электронный блок 21, включающий основной блок ООПД 22 и резервный блок ООПД 23, расположен на низковольтной стороне и имеет не менее восьми аппаратных портов, из которых не менее четырех оптические, для подключения внешних устройств. К второму электронному блоку 21 подключают следующие внешние устройства: цифровые трансформаторы тока и напряжения соседних фаз 26, GPS (ГЛОНАС)- антенна 27, устройство синхронизации, выдающее сигнал 1PPS 28, устройство синхронизации, работающее по протоколу РТР 29, устройства-потребители метрологической информации или коммутаторы 30. Первый блок питания 24 расположен на низковольтной стороне и имеет не менее двух аппаратных портов, из которых не менее чем один оптический, для подключения внешних устройств. К первому блоку питания 24 подключают следующие внешние устройства: система собственных нужд подстанции 31, система оптической накачки 32.
Первый питающий электромагнитный трансформатор 2 и второй питающий электромагнитный трансформатор 10 подключены ко второму блоку питания 14, к первому электронному блоку 11 подключены потенциальные электроды шунта 6, первый измерительный электромагнитный трансформатор тока 3, второй электромагнитный трансформатор тока 9, первый магнитотранзисторный преобразователь 4, второй магнитотранзисторный преобразователь 8, первый пояс Роговского 5, второй пояс Роговского 7, первичный преобразователь напряжения 20 и второй блок питания 14, к которому подключены блок резервного питания 15, блок разделительных трансформаторов 19 и через второй оптический канал 18 первый блок питания 24, который также подключен к блоку разделительных трансформаторов 19 и ко второму электронному блоку 21, подключенному через первый оптический канал 16 и третий оптические канал 17 к первому электронному блоку 11.
Первый электронный блок 11, второй блок питания 14 и блок резервного питания 15 помещены внутрь шунта 6 для исключения влияния на них электрических и магнитных полей. Первый оптический канал 16, третий оптический канал 17, второй оптический канал 18, первичный преобразователь напряжения 20 и блок разделительных трансформаторов 19 помещены в опорный изолятор 25 для обеспечения высоковольтной изоляции.
Цилиндрический шунт 6, преобразует весь спектр частот, включая постоянный ток и апериодическую составляющую с высокой точностью, первый Пояс Роговского 5 и второй Пояс Роговского 7 позволяют измерять токи в рабочих и переходных режимах. Первый магнитотранзисторный преобразователь 4 и второй магнитотранзисторный преобразователь 8 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. Первый измерительный электромагнитный трансформатор тока 3 и второй измерительный электромагнитный трансформатор тока 9 имеют высокий класс точности (так как их магнитопроводы выполнены из нанокристаллического сплава) и предназначены для измерения токов для автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии. Первичный преобразователь напряжения 20 может быть выполнен в виде резистивного, активно-емкостного, емкостного или индуктивного делителей напряжения. Первый электронный блок 11 имеет порты для подключения основного и резервного комплекта датчиков, второго блока питания 14, оптические порты для передачи информации о токах по первому оптическому каналу 16 и для получения сигнала синхронизации по третьему оптическому каналу 17. Второй блок питания 14 имеет порты для подключения основного - первого питающего электромагнитного трансформатора 2 и резервного - второго питающего электромагнитного трансформатора 10, блока резервного питания 15, блока разделительных трансформаторов 19 и оптический порт для подключения второго оптического канала 18. Блок резервного питания 15 может включать аккумуляторную батарею и/или ионистор и/или батарейку (гальванический элемент). Второй электронный блок 21 имеет, например, следующие аппаратные порты для подключения внешних устройств: оптические порты для подключения высоковольтных цифровых устройств для измерения тока соседних фаз, порт для подключения GPS(ГЛОНАС)-антенны, порт для приема электрического сигнала синхронизации 1PPS, порт для приема оптического сигнала синхронизации 1PPS, порт для синхронизации по протоколу РТР и два порта для передачи информации о токах устройствам-потребителям метрологической информации. Вариант сигнала синхронизации (GPS(ГЛОНАС)-антенна, 1PPS (электрический), 1PPS (оптический), протокол РТР) выбирается в зависимости от источника и типа синхронизации. Два порта для передачи информации о токах устройствам-потребителям метрологической информации сделаны для того, чтобы реализовать технологии резервирования PRP и HSR. Первый блок питания 24, например, имеет аппаратные порты для подключения системы собственных нужд подстанции 31, системы оптической накачки 32, блока разделительных трансформаторов 19 и второго оптического канала 18. Первый электронный блок 11 включает два одинаковых электронный блока (основной блок ООПД 12 и резервный блок ООПД 13). Второй электронный блок 21 включает также два одинаковых электронный блока (основной блок ООПД 22 и резервный блок ООПД 23).
Цифровой трансформатор тока и напряжения работает следующим образом. При протекании электрического тока по токопроводу 1 и при подаче напряжения на линию, на цилиндрическом шунте 6 наблюдается падение напряжения, в первом поясе Роговского 5 и втором поясе Роговского 7 наводятся ЭДС, равные , на выходе первого магнитотранзисторного преобразователя 4, на выходе второго магнитотранзисторного преобразователя 8, на выходе первого измерительного электромагнитного трансформатора тока 3, на выходе второго измерительного электромагнитного трансформатора тока 9 и на верхнем плече первичного преобразователя напряжения 20 появляются напряжения, поступающие на первый электронный блок 11, который передает их на основной блок ООПД 12, где они обрабатывается в соответствии с запрограммированными алгоритмами, в том числе преобразуются в цифровую, а затем в оптическую форму. Также на первый электронный блок 11 через определенный интервал времени поступает сигнал синхронизации, передаваемый им на основной блок ООПД 12, от второго электронного блока 21 через третий оптический канал 17. Информационный поток об измеренных токе и напряжении с метками времени от первого электронного блока И через первый оптический канал 16 поступает на второй электронный блок 21, в котором передается на основной блок ООПД 22. На основной блок ООПД 22 через соответствующие аппаратные порты также поступают сигналы от цифровых трансформаторов тока и напряжения соседних фаз 26 и сигнал синхронизации в зависимости от типа используемого источника синхронизации (GPS(ГЛОНАС)-антенна или сигнал 1PPS (оптический) или сигнал 1PPS (электрический) или пакет данных, соответствующий протоколу РТР). Второй электронный блок 21 с использованием основного блока ООПД 22 обрабатывает 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 (например, IEC 61850-9-2). Потребителями информации могут быть устройства релейной защиты и автоматики, устройства коммерческого учета электроэнергии и др. Передача данных может осуществляться как напрямую устройствам-потребителям информации о токах, так и через промежуточные устройства (например, коммутаторы). Первый электронный блок 11 выполняет диагностику основного блока ООПД 12 и в случае обнаружения неисправности отключает его и подключает резервный блок ООПД 13. Второй электронный блок 21 выполняет диагностику основного блока ООПД 22 и в случае обнаружения неисправности отключает его и подключает резервный блок ООПД 23. Электрический ток от первого питающего трансформатора 2 и второго питающего трансформатора 10, возникающий при протекании тока по токопроводу 1, поступает на второй блок питания 14, где осуществляется выпрямление, сглаживание, ограничение выходного напряжения. Питание для первого электронного блока 11 подается от второго блока питания 14. В свою очередь питание ко второму блоку питания 14 подается либо от первого питающего электромагнитного трансформатора 2 (нормальный режим эксплуатации), либо от второго питающего трансформатора 10 (первый источник резервного питания в случае неисправности первого питающего электромагнитного трансформатора 2), либо от блока резервного питания 15 (второй источник резервного питания). В случае, если в блоке резервного питания 15 используется аккумуляторная батарея и/или ионистор в нормальном режиме эксплуатации они подзаряжаются от второго блока питания 14. К первому блоку питания 24 подключается система собственных нужд подстанции 31 и система лазерной накачки 32. Первый блок питания 24 передает через второй оптический канал 18 оптический сигнал от системы лазерной накачки 32 второму блоку питания 14, где он соответственно, преобразуется в электрический сигнал, используемый для питания первого электронного блока 11 внутри шунта 6. Оптический сигнал от системы лазерной накачки 32 может также преобразовываться в электрический сигнал первым блоком питания 24 для питания второго электронного блока 21 на низковольтной стороне высоковольтного цифрового устройства для измерения тока. Электрический сигнал от первого блока питания 24 может быть подан на блок разделительных трансформаторов 19, а затем на второй блок питания 14. Также электрический сигнал от второго блока питания 14 может быть подан на блок разделительных трансформаторов 19, а затем на первый блок питания 24. Питание для второго электронного блока 21 подается от первого блока питания 24.
Таким образом, применение резервного комплекта датчиков тока и питающего электромагнитного трансформатора, применение первичного преобразователя напряжения, дублирование электронных блоков, наличие аппаратных портов для приема электрического сигнала синхронизации 1PPS, порта для приема оптического сигнала синхронизации 1PPS, порта для синхронизации по протоколу РТР и двух портов для передачи информации о токах устройствам-потребителям метрологической информации в заявленном техническом решении обеспечивает расширение функциональных возможностей при обеспечении надежной работы устройства.