ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА
HIGH-VOLTAGE DIGITAL DEVICE FOR CURRENT MEASUREMENT

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного тока, преимущественно при напряжениях от 10кВ до 1500кВ.
Технический результат заключается в упрощении конструкции прибора, уменьшении массогабаритных показателей, увеличении точности измерений и надежности эксплуатации в части высоковольтной изоляции. Цифровое устройство содержит датчик тока и модулятор для передачи закодированной информации о величине измеряемого тока по самому токопроводу с измеряемым током.
Предшествующий уровень техники
Ток высокого напряжения традиционно измеряется индукционными трансформаторами тока. Эти трансформаторы используются как датчики, масштабно трансформирующие силу тока. Обычно они имеют первичную обмотку и несколько вторичных обмоток для релейной защиты, измерений и коммерческого учета. Обмотки имеют гальваническую развязку. Первичная обмотка находится под высоким потенциалом измеряемого тока, а один из выводов вторичных обмоток находится под потенциалом земли. О величине тока судят по величине напряжения (обычно до 100 Вольт при токе до 5А) на выводах вторичных обмоток. Замеры на вторичной обмотке проводятся с использованием аппаратуры, установленной на расстоянии от токопровода в здании подстанции. Вторичные обмотки изолируются от первичной на величину напряжения, которое может возникнуть при перенапряжениях в результате коммутаций или попадания молнии. Например, для класса напряжения 110кВ - это напряжение составляет 460кВ, а для оборудования 220кВ - более 1 миллиона Вольт. Таким образом, изоляционные расстояния между обмотками измерительных индукционных трансформаторов тока с ростом напряжения для обеспечения изоляции значительно увеличиваются, масса трансформаторов тока при этом увеличивается в квадрате.
Учитывая, что основной рост массы изоляторов связан не с измеряемым током, а с уровнем напряжения в измеряемой цепи, в настоящее время считается перспективным применение электрооптических устройств измерения тока, также устройств на основе эффекта Фарадея: RU 2208798, RU 2223512, RU 2120128, RU 2262709, SU 1337782 и др.
При использовании электрооптических устройств измерения тока достаточно просто решается задача высоковольтной изоляции датчика и объекта измерения от потенциала земли и места использования результатов измерения, так как оптическое излучение, несущее информацию об измеряемом токе, не проводит электричество. Но при этом возникает большое количество преобразований измеряемых величин, ведущих к ухудшению точности измерения. Кроме того, метод очень чувствителен к изменению температуры, вибрации, возможному изменению оптической прозрачности волоконного канала и т.д. Неоспоримым достоинством метода является высокий уровень электрической изоляции, при этом диэлектрическое расстояние между датчиком, находящимся под высоким потенциалом, и регистрирующим блоком может быть сколь угодно большим. Увеличение при необходимости уровня электрической изоляции (диэлектрического расстояния) не требует увеличения затрат и изменения конструкции.
Основное достоинство этих устройств, связанное с высоковольтной изоляцией, вытекает из способа передачи информации о величине тока с высоковольтного потенциала на потенциал земли с помощью светового луча. Это реализовано, в частности, в устройствах а.с. №354353, SU 1437786, SU 1597745, RU 2171996. В этих устройствах измеряемый ток в проводе возбуждает магнитное поле вокруг, которое воспринимается вторичной обмоткой трансформатора тока. Во всех этих устройствах используется электромагнитный способ регистрации величины проходящего тока. Напряжение вторичной обмотки в аналоговом виде поступает на светоизлучающий блок (обычно, светодиод), который передает излучение на фотоэлектронный датчик, при этом мощность излучения пропорциональна величине напряжения на вторичной обмотке. Измеряя напряжение на фотоэлектрическом датчике, получаем информацию о силе измеряемого тока в первичной обмотке (шине). Основным недостатком всех устройств такого рода также остается большое количество трансформаций и, как следствие, высокая результирующая погрешность измерения. При этом не устраняются другие недостатки, связанные с чувствительностью датчиков к вибрации, температуре, к влиянию окружающих магнитных полей и др. Дополнительно появляется погрешность, связанная с изменением пропускной способности оптической системы в результате воздействия времени, погодных условий и самого излучения.
Для компенсации погрешностей, связанных с изменениями температуры в устройстве SU 1310735, применен делитель с параллельными ветвями цепи: измерительной и шунтовой. Учитывая, что шунт находится внутри токопровода измерительной цепи, он имеет одинаковый с измерительной цепью температурный дрейф проводимости и, соответственно, компенсирует возможную погрешность измерения из-за изменения температуры в широких пределах. Тем не менее, такое устройство невозможно применить для высоковольтных измерений, так как рабочее напряжение ограничено электрической прочностью изоляции магнитомодуляционного преобразователя. А также не решен вопрос вывода из полости токопровода сигнала об измеренной величине тока. При выводе сигнала на потенциал земли по проводам уровень изоляции будет определяться изоляцией этих проводов.
В других устройствах для устранения погрешности, возникающей в тракте передачи информации по световому лучу, в частности для устранения температурных зависимостей силы излучения, изменения пропускной способности оптического канала и т.д., информационный сигнал необходимо передавать в цифровом кодированном виде. Это реализовано в устройстве RU 2166218, которое является наиболее близким прототипом заявляемого устройства. Устройство по RU 2166218 содержит несколько электромагнитных трансформаторов тока, аналого-цифровой преобразователь и светодиод для передачи информации на потенциал земли в цифровом виде. Использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) позволяет полностью устранить погрешности при передаче информации на потенциал земли. Устройство имеет первичные обмотки, по которым протекает измеряемый ток, возбуждая магнитное поле, пропорциональное величине тока. Магнитное поле, в свою очередь, генерирует во вторичных обмотках ЭДС, пропорциональную величине магнитного поля. После прохождения схем компенсации возможной погрешности АЦП преобразует информацию о величине ЭДС в цифровой вид, в котором она передается на потенциал земли посредством светодиода.
Основные недостатки прототипа следующие:
- малая надежность работы, связанная со сроком службы светодиода;
- необходимость обеспечения прямой видимости приемником светодиода;
- погрешность измерения, вызванная влиянием магнитных и электрических полей от токопроводов соседних фаз, которые обычно находятся на небольшом расстоянии друг от друга и могут индуцировать в проводниках устройства токи;
- чувствительность электронных устройств и компонентов к электрическим и магнитным полям от токопровода с измеряемым током. Светодиод может загораться под воздействием наведенных электрических потенциалов;
- возможность выхода из строя радиоаппаратуры при воздействии больших внутренних электрических потенциалов, наведенных в радиоаппаратуре токами короткого замыкания или коммутационными перенапряжениями.
Если поместить электронное измерительное устройство под высокое напряжение, неизбежно произойдет выход оборудования из строя. Это связано с большими напряжениями, наведенными на частях, проводах, соединителях оборудования при нахождении вблизи высоковольтных токопроводов и шин. При этом в случае переменного тока промышленной частоты идеальной формы устройство может работать. На самом деле общий потенциал прибора будет «плавать» с частотой 50 Гц. Но в реальных электрических сетях есть не только гармонические составляющие. При коммутации высоковольтных устройств происходит резкое возрастание напряжения и частоты. Например, при отключении вакуумного выключателя на линии 35кВ коммутационное перенапряжение может достигать 190кВ, а частота - до нескольких мегагерц. При наличии в приборе участков проводников больше длины волны мегагерцевого диапазона возможен внутренний пробой между компонентами или между электропроводящими участками прибора. В диапазоне частот порядка 50 Гц длина волны много больше размеров проводников и самого прибора. Размерами прибора можно пренебречь, рассматривая его как точку, медленно «качающуюся» на электромагнитной волне. При коммутационных перенапряжениях длина волны становится меньше размеров прибора, а амплитуда больше, разные части прибора оказываются под разными потенциалами. Внутри прибора могут происходить частичные разряды и полные перекрытия разрядом изоляционных промежутков. Если прибор поместить в экранированный корпус, остается возможность электрического пробоя через подключенные провода питания, измерения, выходы. До 90% всех выходов из строя оборудования в электроэнергетике происходит вследствие процессов, происходящих при коммутациях или грозовых перенапряжениях. Именно с этим связано отсутствие радиоаппаратуры в непосредственном контакте с высоковольтными линиями на подстанциях. В качестве датчиков тока используются трансформаторы тока с изоляцией, рассчитанной на воздействие коммутационных и грозовых перенапряжений. В частности, многочисленные исследования выхода из строя большого количества трансформаторов тока на напряжение 500кВ выявили основную причину - воздействие коммутационных перенапряжений высокой частоты. Таким образом, измерение тока наилучшим образом можно произвести, поместив датчик и АЦП под потенциал высокого напряжения, и передавать информацию о силе тока на «землю» по оптическому каналу. Но электронную цифровую аппаратуру нельзя использовать из-за сильных электромагнитных импульсов, свойственных работе высоковольтного оборудования и возможного повреждения оптоэлектронных каналов.
Данное противоречие решается в предлагаемом устройстве.
Цели изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является простое надежное устройство для измерения величины переменного и постоянного тока высокого напряжения, измеряющее силу тока под высоким напряжением и передающее сигнал для использования по существующим каналам радиочастотной связи.
Описание
Решение поставленной цели достигается тем, что устройство для измерения силы тока под высоким потенциалом содержит шунт, включенный параллельно и имеющий непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, аналого-цифровой преобразователь и модулятор для передачи цифровой информации о силе тока с помощью электромагнитных волн высокой частоты устройствам, находящимся под потенциалом низкого напряжения (земли). Передача модулированного сигнала осуществляется с использованием самого токопровода, на котором производится измерение тока. После преобразования сигнала об уровне напряжения на концах шунта в цифровой вид производится модуляция, полученный высокочастотный сигнал направляется обратно в токопровод. Модулированный сигнал распространяется в токопроводе как в антенно-фидерном устройстве с минимальными потерями. Для получения информации на низковольтной стороне используется установленная на каждой электростанции аппаратура высокочастотной связи. Через конденсаторы связи высокочастотный сигнал от устройства измерения тока отделяется от промышленной частоты, демодулируется и используется для автоматики, учета и релейной защиты.
Так как гальваническая развязка между высоковольтным потенциалом измеряемого токопровода и устройствами, использующими информацию о силе тока в нем, осуществляется посредством передачи информации по электромагнитным волнам, нет необходимости в дополнительной гальванической развязке через магнитную индукцию, используемую в бесконтактных индукционных датчиках (измерительных индукционных трансформаторах тока).
Все устройство в рабочем состоянии находится под потенциалом высокого напряжения. При постоянном токе этот потенциал постоянен во времени, при переменном токе потенциал изменяется (плавает) с амплитудой, равной фазному напряжению в токопроводе, и может достигать 1500кВ. Все элементы устройства являются низковольтными.
Для исключения влияния на электронную аппаратуру электрических и магнитных полей полностью все измерительное устройство помещается внутрь токопровода с измеряемым током. Внутри полностью закрытой электропроводящей области пространства сумма электрических и магнитных полей равна нулю. Таким образом, цифровая аппаратура, помещенная внутрь токопровода, не будет испытывать воздействия электромагнитных полей, какими бы они большими ни были. Также токопровод будет защищать аппаратуру от возможных коммутационных или грозовых перенапряжений. Температурный градиент между шунтирующей и измерительной частью цепи также будет минимальным. Благодаря этому будет соблюдено одинаковое изменение проводимости материала шунтирующей и измеряемой цепи токопровода. В этом случае в делителе температурные изменения окружающей среды будут компенсированы. Питание измерительного устройства производится от делителя напряжения, также расположенного внутри токопровода. Конструкция измерительного устройства позволяет поместить его полностью внутрь токопровода. Отсутствие необходимости во внешних устройствах позволяет полость токопровода с измерительным устройством сделать герметичным. 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. Высокочастотный сигнал с информацией о величине силы тока передается по токопроводу. Таким образом, получается устройство, герметично вмонтированное в токопровод, питающееся от токопровода, измеряющее силу тока, текущего по токопроводу, и передающее по этому же токопроводу на аппаратуру ВЧ-связи модулированный сигнал об измеренной силе тока.
Устройство работает следующим образом.
При прохождении тока по токопроводу на концах шунта появляется разность потенциалов напряжения, соответствующая силе тока, протекающего по шунту. Токопровод и шунт представляют собой делитель напряжения. Общая сила тока масштабно соответствует току, проходящему через шунт. Таким образом, изменение силы тока в токопроводе приводит к изменению падения напряжения на концах шунта. Напряжение с выводов шунта кодируется АЦП и управляет модуляцией высокочастотного опорного сигнала. Модуляция цифрового сигнала может быть амплитудной, частотной, угловой, фазовой и т.д. Далее высокочастотный сигнал направляется в токопровод и распространяется по нему как в антенно-фидерном устройстве. Прием сигнала от измерительного устройства на низковольтной стороне осуществляется с использованием установленной на подстанции аппаратуры высокочастотной связи. Высокочастотный сигнал с помощью конденсаторов связи отделяется от промышленной частоты, демодулируется и используется автоматикой, телеметрией и релейной защитой.
Реализация изобретения
На предприятии-заявителе был изготовлен макет предлагаемого устройства для измерения тока. Устройство было смонтировано на опорном высоковольтном стержневом изоляторе 220кВ. Устройство было рассчитано на измерение токов от 10 до 100 Ампер. Расчетный класс точности соответствовал классу 0.2S (IEC Class 0.2) традиционных трансформаторов тока.
Сигнал от шунта оцифровывался 12-канальным АЦП пр-ва ЗАО «Руднев и Шиляев» и подвергался фазовой модуляции на частоте 50кГц. Прием сигнала осуществлялся на аппаратуре одесского завода «Нептун», фильтрация ВЧ-сигнала от промышленной частоты осуществлялась конденсаторами связи производства серпуховского завода «Квар».
Анализ результатов испытаний показал высокую повторяемость измерений, высокую точность и воспроизводимость результатов, отсутствие искажений при токах короткого замыкания, отсутствие искажений в результате воздействия вибрации, отсутствие искажений при изменении магнитного поля в месте замеров, отсутствие искажений результатов при прохождении электрических разрядов по воздуху (имитация удара молнии).
Конструкция устройства поясняется чертежом, на котором представлена электрическая схема цифрового устройства для измерения тока.
На чертеже приведены следующие обозначения:
1 - токопровод измеряемой цепи;
2 - шунт, включенный параллельно измеряемой цепи;
3 - АЦП;
4 - модулятор;
5 - антенна, образующая с токопроводом антенно-фидерный тракт.