УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного тока, преимущественно при напряжениях от 6(10) кВ.
Наиболее близким техническим решением является высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока по патенту РФ №2346285, МПК G01R 19/00, 10.02.2009, содержащее источник питания, выполненный в виде делителя напряжения, датчик тока, выполненный в виде измерительного шунта, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, аналогово-цифровой преобразователь, приемник, находящийся под потенциалом низкого напряжения (земли), опорный высоковольтный изолятор, 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. 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, известному 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.
Данные недостатки устройства-прототипа 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 полезной модели - 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 переменного 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 предлагаемой полезной модели, дополнительно введены микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, а также промежуточный или базовый сервер, низкочастотная катушка индуктивности, ограничитель перенапряжения, фильтрующий элемент источника питания с резервирующим конденсатором и стабилизирующий элемент источника питания, при этом источник питания выполнен в виде низковольтного трансформатора тока, включенного в токопровод, на котором производится измерение, причем обмотка низковольтного трансформатора тока параллельно подключена к ограничителю перенапряжения и, через последовательно соединенные фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания, к микроконтроллеру связи, а измерительный шунт последовательно соединен с 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 переменного 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, имеющий в своем составе АЦП, который совместно с аппаратурой связи осуществляет сбор, преобразование, обработку, хранение и передачу полученной информации о величине измеряемого тока по каналу связи (оптическому каналу или радиоканалу) на введенный 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 низкочастотная катушка индуктивности, ограничитель перенапряжения, фильтрующий элемент источника питания с резервирующим конденсатором и стабилизирующий элемент источника питания, при этом источник питания выполнен в виде низковольтного трансформатора тока, включенного в токопровод, на котором производится измерение, и подключенного через последовательно соединенные фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания, к микроконтроллеру связи, к которому также подключен измерительный шунт.
Для повышения надежности работы устройства за счет защиты цепей измерения и источника питания от разрушительных процессов, возникающих при внешних или внутренних перенапряжениях в высоковольтной цепи, последовательно измерительному шунту установлена низкочастотная катушка индуктивности, имеющая большое сопротивление при протекании по ней токов высокой частоты, а также параллельно первичной или вторичной обмотке ТТ установлен ограничитель перенапряжений (ОПН) нелинейный без искроразрядников. Установка ОПН параллельно-первичной обмотке ТТ предусмотрено в случаях применения ТТ с многовитковой первичной обмоткой, установка ОПН параллельно вторичной обмотке - в случаях использования ТТ с одновитковой первичной обмоткой.
Для повышения надежности работы устройства, по цепи вторичной обмотки ТТ установлен фильтрующий элемент источника питания с резервирующим конденсатором, питающим электронную аппаратуру устройства в случаях кратковременных отсутствий тока от ТТ при возникновении ненормальных и аварийных режимов работы в высоковольтной сети, и стабилизирующий элемент источника питания.
Само устройство находится под потенциалом высокого напряжения снаружи токопровода и 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 полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная структурная схема предлагаемого устройства для измерения переменного тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации.
На чертеже цифрами обозначены:
1 - токопровод, на котором производится измерение;
2 - измерительный шунт;
3 - низковольтный трансформатор тока (ТТ);
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 - резервирующий конденсатор;
10 - промежуточный или базовый сервер;
11 - ограничитель перенапряжения (ОПН) нелинейный без искроразрядников;
12 - низкочастотная катушка индуктивности;
13 - экранирующий герметичный кожух.
Устройство для измерения переменного 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 переменного 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, низкочастотная катушка 12 индуктивности, ограничитель 11 перенапряжения, фильтрующий элемент 6 источника питания (содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения, а также фильтр низких частот) с резервирующим конденсатором 9 и стабилизирующий элемент 5 источника питания (содержит аккумулятор и зарядное устройство аккумулятора). Источник питания выполнен в виде низковольтного трансформатора тока 3, включенного в токопровод 1, на котором производится измерение. Обмотка (первичная или вторичная) низковольтного трансформатора тока 3 параллельно подключена к ограничителю перенапряжения 11, т.е. параллельно первичной или вторичной обмотке ТТ установлен ограничитель перенапряжений (ОПН), который выполнен нелинейным без искроразрядников. Установка ОПН параллельно первичной обмотке ТТ предусмотрено в случаях применения ТТ с многовитковой первичной обмоткой, установка ОПН параллельно вторичной обмотке - в случаях использования ТТ с одновитковой первичной обмоткой. Обмотка низковольтного трансформатора тока 3, через последовательно соединенные фильтрующий 6 и стабилизирующий 5 элементы источника питания, подключена к микроконтроллеру 4 связи. Измерительный шунт 2 последовательно соединен с низкочастотной катушкой 12 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. Само устройство находится под потенциалом высокого напряжения снаружи токопровода 1 и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха 13 (в зоне отсутствия магнитных и электрических полей).
Устройство для измерения переменного тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации следующим образом.
отв
шунт
Падение напряжения на измерительном шунте 2 фиксируется микроконтроллером 4 связи, который с помощью встроенного аналогово-цифрового преобразователя преобразует величину напряжения Uш.и.=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.
Для питания микроконтроллера 4 связи и аппаратуры 7 связи в устройстве предусмотрен источник питания, выполненный в виде низковольтного трансформатора тока 3, включенного в токопровод 1, на котором производится измерение. Далее питающее напряжение с низковольтного трансформатора тока 3 подается на фильтрующий элемент 6 источника питания, который содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения, а так же фильтр низких частот. Выпрямленное питающее напряжение с фильтрующего элемента подается на стабилизирующий элемент 5 источника питания, который содержит аккумулятор и зарядное устройство аккумулятора, что обеспечивает надежную работу всего устройства, как в режиме холостого хода, так и при полном отсутствии тока в измеряемой цепи (когда она отключена полностью).
Для защиты электронной аппаратуры устройства от разрушительных процессов, возникающих при внутренних или внешних перенапряжениях в высоковольтной сети, параллельно низковольтному трансформатору тока 3 предусмотрено подключение ограничителя перенапряжения 11, а последовательно измерительному шунту 2 предусмотрено подключение низкочастотной катушки 12 индуктивности.
Для увеличении надежности работы устройства в случае кратковременных пауз в питании от низковольтного трансформатора тока 3, возникающих при прохождении процессов в высоковольтной цепи, обусловленных коротким замыканием, в цепи вторичной обмотки низковольтного трансформатора тока 3 предусмотрена установка резервирующего конденсатора 9, питающего электронную аппаратуру устройства в таких режимах работы.
Все компоненты устройства размещаются в экранирующем герметичном кожухе 13, находящимся под потенциалом высокого напряжения. Такое размещение позволяет исключить влияние магнитных и электрических полей, при этом кожух 13 позволяет дополнительно защитить аппаратуру от коммутационных или грозовых перенапряжений, а также минимизировать 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, что обеспечивает точность и надежность измерений.
Техническими результатами, обеспечиваемыми при использовании предлагаемой полезной модели, 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. Обеспечение работоспособности устройства при протекании токов короткого замыкания в первичной обмотке ТТ, даже в случае кратковременного прекращения питания от ТТ.
4. Полное исключение гальванической связи между частями электроустановки, находящимся под потенциалом высокого напряжения с одной стороны, и потенциалом низкого напряжения (земли), с другой.
5. Повышение удобства и гибкости решений при компоновке устройства на вновь вводимых и реконструируемых РУ.
6. Обеспечение простой и удобной «бесшовной» интеграции устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики.
7. Применение устройства без существенных конструктивных изменений в РУ различных классов напряжения.