ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ТОКА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ В СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
REAL-TIME MEASUREMENT DEVICE FOR OPERATIVE CURRENT CONTROL IN HIGH-VOLTAGE POWER NETWORKS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам контроля фазного тока в высоковольтных линиях электропередачи.
7
Известна автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (патент РФ №2224260, МКИ G01R 11/48, опубликован 20.02.2004 г.). Система содержит проводящий корпус, выполненный в виде клетки Фарадея, включенный в рассечку провода линии электропередачи высокого напряжения, электронные блоки, размещенные в проводящем корпусе, высоковольтный конденсатор нижнего плеча емкостного делителя напряжения, на котором установлен проводящий корпус, конденсатор низковольтного емкостного плеча делителя напряжения, датчик тока в виде измерительного низковольтного электромагнитного трансформатора тока, установленный в защитный электромагнитный экран, низковольтный трансформатор тока, вторичные обмотки которого присоединены к входу вторичного блока питания электронных блоков, измерительный модуль, выполненный из блоков аналоговой и цифровой обработки сигналов, приемопередатчик с антенной. Приемопередатчик обеспечивает при гальванической развязке между системой и центром сбора данных двунаправленную радиолинию передачи параметров качества и количества электроэнергии, а также сигналов управления и контроля за процессом измерения.
Недостаток известного технического решения заключается в высокой и непредсказуемой погрешности измерения тока при оперативной установке измерительного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому измерительному устройству контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения является устройство, описанное в статье Djokić В. Calibration of Rogowski Coils at Power Frequencies Using Digital Sampling. // IEEE Trans. On Instr. and Mesur. Vol.58, №4, april, 2009, содержащее вспомогательный генератор тестового сигнала синусоидальной формы, выход которого подключен к входу усилителя мощности, который подключен к первому вспомогательному трансформатору тока, связанному с токовой петлей, которая, в свою очередь, связана с двумя поясами Роговского, один из которых является калибровочным трансформатором тока, а другой является измерительным трансформатором силы тока в фазном проводе сети, аналого-цифровой преобразователь несинхронной оцифровки синусоидального сигнала тестового генератора, аналого-цифровой преобразователь оцифровки сигнала фазного провода, контроллер сличения показаний аналого-цифровых преобразователей. Такая калибровка осуществляется в отсутствие тока в фазном проводе, который на этапе калибровки является помеховым сигналом высокого уровня. При такой системе калибровки измерительное устройство обеспечивает относительную погрешность измерения амплитуды тока, которая для токов до 2000 А оценивается величиной лучше 0,005% и абсолютная погрешность измерения фазы тока 50 микрорадиан.
Недостатком измерительного устройства является низкая оперативность применения устройства и сложность процесса калибровки и применения в линиях электропередачи высокого напряжения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения оперативного, автономного высокоточного режима работы измерительного устройства контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения.
т
с
т
c
д
д
ф
ф
ф
Решение этой задачи достигается тем, что измерительное устройство оперативного контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, содержащее вспомогательный генератор тестового сигнала синусоидальной формы, выход которого подключен к входу усилителя мощности, вспомогательную токовую петлю, связанную с измерительным трансформатором тока, с которым также связан фазный провод высоковольтной сети; аналого-цифровой преобразователь, подключенный к вторичной обмотке измерительного трансформатора тока, блок цифровой обработки сигнала с цифровым контроллером, снабжено диэлектрическим изолятором, вторым трансформатором тока с разъемным магнитопроводом, который связан с фазным проводом высоковольтной цепи, а вторичная обмотка которого присоединена к входным зажимам вторичного источника питания, приемопередатчиком измерительного и управляющего каналов, диэлектрической антенной и металлическим экраном, причем вспомогательный генератор тестового сигнала синусоидальной формы выполнен в виде цифрового генератора, выход которого подключен к блоку цифровой обработки сигнала и параллельно к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом вспомогательного генератора, выход усилителя мощности замкнут на вспомогательную токовую петлю, вторичная обмотка измерительного трансформатора тока соединена с входными зажимами аналого-цифрового преобразователя, выход которого присоединен к входу блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера, выход блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера присоединен к входу приемопередатчика измерительного и управляющего каналов, выход которого соединен с диэлектрической антенной, причем частота тестового синусоидального сигнала f выбрана отличной от промышленной частоты f в линии передачи высокого напряжения, а их произведение f×f=f, где f - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя, вспомогательный генератор тестового сигнала синусоидальной формы, аналого-цифровой преобразователь, блок цифровой обработки сигнала цифрового контроллера, приемопередатчик измерительного и управляющего каналов, а также вторичный источник питания расположены в металлическом экране, а диэлектрическая антенна установлена в отверстии в стенке металлического экрана, который выполнен в форме протяженного цилиндра и установлен на диэлектрическом изоляторе так, что ось цилиндра параллельна проводу фазного тока, а его торцевые стенки присоединены к фазному проводу в точках на расстоянии друг от друга, превышающем длину цилиндра металлического экрана, площадь S поперечного сечения стенок металлического экрана превосходит площадь S поперечного сечения провода фазного тока в соотношении 100S>S>10S, измерительный трансформатор тока выполнен с разъемным магнитопроводом из аморфного железа, и оба трансформатора тока расположены на проводе фазного тока за пределами участка между точками присоединения торцевых стенок металлического экрана.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано измерительное устройство оперативного контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, на фиг.2 схематично показаны соединения вспомогательного генератора тестового сигнала синусоидальной формы, аналого-цифрового преобразователя, блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера внутри металлического экрана.
Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения содержит вспомогательный генератор 1 тестового сигнала синусоидальной формы, усилитель мощности 2; вспомогательную токовую петлю 3, связанную с измерительным трансформатором тока 4, с которым связан фазный провод 5 высоковольтной сети; аналого-цифровой преобразователь 6, подключенный к вторичной обмотке 7 измерительного трансформатора тока 4; блок цифровой обработки сигнала с цифровым контроллером 8, диэлектрический изолятор 9; второй трансформатор тока 10 с разъемным магнитопроводом, который связан с фазным проводом 5 высоковольтной цепи, а вторичная обмотка 11 которого присоединена к входным зажимам вторичного источника питания 12; приемопередатчик 13 измерительного и управляющего каналов, выход которого присоединен к диэлектрической антенне 14; металлический экран 15. Вспомогательный генератор 1 тестового сигнала синусоидальной формы выполнен в виде цифрового генератора 16, выход которого присоединен к блоку цифровой обработки сигнала 8 и параллельно присоединен к входу цифроаналогового преобразователя 17, выход которого является выходом вспомогательного генератора 1, выход усилителя мощности 2 замкнут на вспомогательную токовую петлю 3, вторичная обмотка 7 измерительного трансформатора тока 4 присоединена к входным зажимам аналого-цифрового преобразователя 6, выход которого присоединен к входу блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера 8. Выход блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера 8 присоединен к входу приемопередатчика 13 измерительного и управляющего каналов, выход которого присоединен к диэлектрической антенне 14, которая установлена в отверстии 18 в стенке 19 металлического экрана 15.
Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения работает следующим образом.
Измерительное устройство оперативного контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения устанавливается в точку измерения на фазном проводе ЛЭП высокого напряжения оперативно без нарушения кондуктивной связи фазного провода 5 за счет наличия у трансформаторов тока измерительного 4 и второго 10 разъемных магнитопроводов. Оперативная установка обеспечена также за счет применения в техническом решении диэлектрического изолятора 9, фиксирующего положения трансформаторов тока 4 и 10 и металлического экрана 15 относительно фазного провода 5. Если по фазному проводу 5 линии электропередачи высокого напряжения течет фазный ток I определенной силы, то вследствие этого во вторичной обмотке 7 измерительного трансформатора тока 4, связанного с фазным проводом 5, возникает ток, пропорциональный току I. Сигнал с вторичной обмотки 7 измерительного трансформатора тока 4 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Аналого-цифровой преобразователь 6 осуществляет оцифровку сигналов вспомогательного тестового генератора 1 и сигналов тока в фазном проводе 5. В контроллере 8 производится сравнение параметров тестового синусоидального сигнала с выхода вспомогательного генератора 1 и этого же сигнала с выхода цифроаналогового преобразователя 6, в результате чего определяется коэффициент преобразования трансформатора тока. Цифровая последовательность, соответствующая фазному току промышленной частоты в фазном проводе 5 линии высокого напряжения с выхода блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера 8, с коррекцией данных с учетом коэффициента преобразования поступает на вход приемопередатчика 13 измерительного и управляющего каналов. В приемопередатчике 13 сигнал преобразуется в стандарт радиоканала (например, Ethernet 802.11 b) и через антенну 14 на выходе приемопередатчика 13 излучается в направлении диспетчерского пункта.
Электропитание измерительного устройства, а именно вспомогательного генератора 1 тестового сигнала синусоидальной формы, усилителя мощности 2, аналого-цифрового преобразователя 6, блока цифровой обработки сигнала с цифровым контроллером 8 и приемопередатчика 13 осуществляется от вторичного источника питания 12. Мощность во вторичный источник питания 12 поступает с вторичной обмотки 11 второго трансформатора тока 10 и отбирается от мощности тока фазного провода 5.
Наличие разъемного магнитопровода измерительного трансформатора 4 резко увеличивает погрешность измерения тока. Высший класс точности трансформаторов тока с разъемным магнитопроводом составляет 0,5, что недостаточно для целей измерений. Требуемое значение составляет 0,2. Калибровка измерительного устройства после его установки на фазном проводе 5 позволяет обеспечить требуемое значение класса точности, равное 0,2. Причем калибровка должна осуществляться после каждого нового процесса установки измерительного устройства в точке фазного провода 5, так как в трансформаторах тока с разъемным магнитопроводом каждому новому замыканию магнитопровода соответствует свой остаточный воздушный зазор, а значит, и новый коэффициент трансформации. Для обеспечения процесса оперативной калибровки измерительного трансформатора тока 4 в измерительном устройстве осуществляется процесс непрерывной тарировки коэффициента преобразования. Тарировка реализована за счет вспомогательного генератора 1 тестового сигнала синусоидальной формы.
С выхода вспомогательного генератора 1 тестового сигнала синусоидальной формы цифровая последовательность поступает в блок цифровой обработки сигнала 8 и параллельно на вход цифроаналогового преобразователя 17, выход которого является выходом вспомогательного генератора 1, выход усилителя мощности 2 замкнут на вспомогательную токовую петлю 3, включенную в магнитопровод измерительного трансформатора тока 4. Вторичная обмотка 7 измерительного трансформатора тока 4 нагружена на входные зажимы аналого-цифрового преобразователя 6, с выхода которого цифровая последовательность, соответствующая смеси тестового сигнала и сигнала фазного тока промышленной частоты 50 Гц, поступает на вход блока цифровой обработки сигнала с цифровым контроллером 8. В блоке цифровой обработки осуществляется расчет спектрального состава смеси токов вспомогательного сигнала и сигнала фазного тока промышленной частоты 50 Гц. В контроллере производится сравнение параметров тестового синусоидального сигнала с выхода цифрового генератора 1 и этого же сигнала с выхода цифроаналогового преобразователя 6, в результате чего рассчитывается поправочный коэффициент для коэффициента передачи тока измерительного трансформатора тока 4.
Цифровая последовательность сигнала, соответствующая фазному току промышленной частоты в фазном проводе 5 линии высокого напряжения, с выхода блока цифровой обработки сигнала цифрового контроллера 8 (с учетом рассчитанной поправки к коэффициенту трансформации измерительного трансформатора тока 4) поступает на вход приемопередатчика 13 измерительного и управляющего каналов, нагруженного на диэлектрическую антенну 14, которая установлена в отверстии 18 в стенке 19 металлического экрана 15.
д
т
с
т
с
с
т
Для тестового синусоидального сигнала сигнал, соответствующий фазному току промышленной частоты, является мощной помехой. Снижение помехового действия этого сигнала на тестовый сигнал синусоидальной формы обеспечено тем, что частоты основных гармоник тестового и измеряемого токов выбраны не кратными. Это позволяет разнести по частоте как сигналы на основных гармониках тестового и измеряемого сигналов, так и на частотах их гармоник. При некратных периодах сигналов уменьшение погрешности цифрового Фурье-преобразования, связанное с некратностью периода сигнала с интервалом выборки временной зависимости, обеспечивается выбором частоты дискретизации f аналого-цифрового преобразователя, равной произведению f×f, где f - частота тестового синусоидального сигнала; f - промышленная частота в линии передачи высокого напряжения. Применение аморфных сталей в магнитопроводе измерительного трансформатора, которые отличаются очень высокой линейностью кривых намагничивания, позволяет обеспечить тождественность коэффициентов трансформации на частотах f и f, а значит, возможность параллельного и некоррелированного существования в разъемном магнитопроводе этих сигналов.
ф
ф
ф
Учитывая сильные электромагнитные поля в рабочей среде вспомогательного генератора 1 тестового сигнала синусоидальной формы, аналого-цифрового преобразователя 6, блока цифровой обработки сигнала с цифровым контроллером 8, приемопередатчика 13 измерительного и управляющего каналов, а также вторичного источника питания, они размещены в металлическом экране 15, а диэлектрическая антенна установлена в отверстии 18 в стенке 19 металлического экрана 15. Для уменьшение помехового действия магнитного поля фазного тока в фазном проводе 5 металлический экран 15 выполнен в форме протяженного цилиндра и установлен на диэлектрическом изоляторе 9 так, что ось цилиндра параллельна проводу 5 фазного тока, а его торцевые стенки, например 19, присоединены к фазному проводу 5 на расстоянии друг от друга, превышающем длину цилиндра металлического экрана 15. Это в сочетании с тем, что площадь S поперечного сечения стенок металлического экрана 15 более чем в десять раз, но менее чем в сто раз (излишняя толщина стенок металлического экрана не скажется на подавлении помехи, но приведет к неоправданному росту веса устройства в целом) превосходит площадь поперечного сечения S провода 5 фазного тока, то есть площади поперечных сечений находятся в соотношении 100S>S>10S, обеспечивает условие протекания более 90% фазного тока по стенкам металлического экрана 15. В этом случае можно полагать, что металлический экран 15 функционирует как клетка Фарадея для фазного тока провода 5, а размещение электронных блоков 1, 6, 8, 13 внутри клетки защищает их от действия магнитного поля фазного тока промышленной частоты. Размещение измерительного трансформатора тока 4 на проводе 5 фазного тока за пределами участка между точками присоединения торцевых стенок 9 и ей противоположной металлического экрана 15 позволяет уменьшить погрешность измерения фазного тока, так как измерительный трансформатор 4 связан с полным фазным током.
Применение в измерительном устройстве для оперативного контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения комплекса технических решений, включающих разъемность магнитопроводов измерительного и второго (в цепи питания) трансформаторов тока, тарировка коэффициента трансформации измерительного трансформатора тока, автономность энергоснабжения при радиоканальной передаче данных, осуществление контроля функционирования и управления, решение вопросов электромагнитной совместимости электронных блоков и полей ЛЭП обеспечивает достижение поставленной цели, а именно оперативность применения измерительного устройства и простоту его применения в линиях электропередачи высокого напряжения при обеспечении высокого класса точности измерений тока.