Масштабирующий преобразователь напряжения и тока в цифровой код

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области измерений электрических напряжения и тока и может быть использована в качестве измерительного преобразователя на высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП).
Уровень техники
Известен ряд технических решений, в которых описаны высоковольтные измерительные преобразователи напряжения и тока, в частности патенты RU 2516034, RU 2624977, RU 100284, RU 32282. В этих, и ряде других решений для повышения точности измерения и улучшения изоляции электронная измерительная схема, обеспечивающая преобразование измеряемых напряжения и тока в цифровой код, располагается в высоковольтной части (ВВЧ) устройства, а цифровые данные передаются в низковольтную часть устройства по оптическому каналу.
Питание указанной электронной схемы может осуществляться различными способами. В частности, в устройстве по патенту RU 159443 питание ВВЧ осуществляется путём отбора части энергии от тока, протекающего по контролируемой ЛЭП, в устройстве по патенту RU 2624977 – части энергии от измерительного делителя напряжения, в устройстве по патенту RU 2516034 – от того и от другого.
Недостатком такого решения является то, что при отключении контролируемой ЛЭП от источника электроэнергии и последующем подключении к нему, для начала передачи цифрового кода требуется значительное время (время активации), обусловленное загрузкой программы в микроконтроллер электронной измерительной схемы и проведением необходимых тестов. В то же время, в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60044-8 «Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока», п. 5.1.11, время активации не должно превышать 5 мс. Это обстоятельство требует обеспечения питания электронной схемы ВВЧ масштабирующего преобразователя независимо от наличия или отсутствия напряжения на ЛЭП.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является преобразователь электрического напряжения-тока-мощности по патенту RU 32282. Это устройство содержит измерительную схему, находящуюся в ВВЧ, и преобразовательные ячейки, расположенные в высоковольтном опорном изоляторе, посредством которых, в частности, передается энергия, вырабатываемая блоком питания, расположенным в низковольтной части (НВЧ) устройства, в измерительную схему в ВВЧ. Преобразовательные ячейки включают изолирующие трансформаторы, соединённые каскадно, причём первичная обмотка первого трансформатора присоединена к выходу инвертора блока питания НВЧ, а вторичная обмотка соединена с первичной обмоткой трансформатора следующей ячейки и т.д. Вторичная обмотка изолирующего трансформатора последней ячейки подключена к блоку питания ВВЧ. Недостаток такого решения – сравнительно большие потери энергии, передаваемой в ВВЧ, в цепочке изолирующих трансформаторов. Эти потери обусловлены значительным индуктивным сопротивлением рассеяния обмоток трансформаторов, причём эти сопротивления суммируются, и на них падает большая часть напряжения блока питания НВЧ.
Раскрытие существа полезной модели
Технический результат полезной модели – снижение потерь энергии в цепочке изолирующих трансформаторов и, как следствие, уменьшение необходимой установленной мощности блока питания НВЧ.
Предметом полезной модели, обеспечивающим получение указанного результата, являются конденсаторы, включённые последовательно в цепи между выводами смежных изолирующих трансформаторов. Эти конденсаторы компенсируют реактивную мощность индуктивностей рассеяния обмоток трансформаторов.
Осуществление полезной модели
Структуру устройства иллюстрирует фиг. 1.
Масштабирующий преобразователь напряжения и тока в цифровой код включает измерительный модуль 1, внутри которого закреплены высоковольтный провод 2 ЛЭП с трансформатором тока 3, низковольтное плечо делителя напряжения 4, а также блок питания 5, осуществляющий питание блока измерительного преобразователя 6. Измерительный модуль 1 установлен на опорном изоляторе 7, внутри которого расположено высоковольтное плечо делителя напряжения 8, световод 9, соединяющий блок измерительного преобразователя 1 и контроллер 10 низковольтной части 11, а также цепочка каскадно соединённых изолирующих трансформаторов 12, включённая между блоком питания 5, расположенным в измерительном модуле 1 и инвертором 13, находящимся в низковольтной части 11 устройства. Обмотки смежных изолирующих трансформаторов этой цепочки соединены через компенсирующие конденсаторы 14.
Заявленное устройство работает следующим образом. Переменное напряжение частотой несколько десятков килогерц, создаваемое инвертором 13, поступает на первичную обмотку самого нижнего из изолирующих трансформаторов 12. Ко вторичной обмотке этого трансформатора через компенсирующий конденсатор 14 подключается первичная обмотка следующего изолирующего трансформатора и т.д. Со вторичной обмотки последнего трансформатора этой цепочки электроэнергия поступает в блок питания 5 измерительного модуля 1, который питает блок измерительного преобразователя 6 постоянным током. Снижение потерь энергии в цепочке изолирующих трансформаторов по сравнению с прототипом достигается за счет компенсации индуктивного падения напряжения на сопротивлении рассеяния обмоток изолирующих трансформаторов противофазным ёмкостным падением напряжения на компенсирующих конденсаторах 14.
1
2
1
Экспериментальное исследование системы электропитания электронной измерительной схемы комбинированного цифрового измерительного трансформатора тока и напряжения на класс напряжения 110 кВ, включающей восемь изолирующих трансформаторов, соединённых каскадно, показало следующие результаты. При напряжении на выходе инвертора U=24 В частотой 39,5 кГц и нагрузке на стороне ВВЧ сопротивлением 9,6 Ом, подключение компенсирующих конденсаторов ёмкостью 0,3 мкФ между трансформаторами позволило повысить мощность, отдаваемую в нагрузку, более чем в пять раз, а КПД, равный отношению Р/Р, примерно в два раза (см. таблицу 1).
Таблица 1
Вид схемы
U<sub>2</sub>, В
P<sub>1</sub>, Вт
P<sub>2</sub>, Вт
КПД
Без компенсирующих конденсаторов
2,21
3,12
0,51
0,16
С компенсирующими конденсаторами
5,16
8,36
2,77
0,32
2
1
2
В таблице 1 обозначено: U– напряжение на нагрузке, P – активная мощность, потребляемая инвертором 13, P– активная мощность, выделяемая на нагрузке.