ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ В ЦИФРОВОЙ КОД
HIGH VOLTAGE NETWORK CONVERTER AND VOLTAGE IN DIGITAL CODE

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерений напряжения и тока в высоковольтных электрических сетях.
Известен ряд технических решений, в которых описаны высоковольтные измерительные преобразователи напряжения, в частности патенты RU 2516034, RU 145064, RU 2408891, RU 2516034, RU 100284.
Известен патент на полезную модель RU 100284. В описанном устройстве питание высоковольтной части реализуется через световую батарею, которая освещена внешним световым излучателем.
Недостатками данной конструкции являются низкие надежность и коэффициент полезного действия световой батареи.
Известен патент RU 2408891, в котором описано устройство для измерения переменного тока отличающееся тем, что источник постоянного напряжения для питания аналого-цифрового преобразователя выполнен в виде аккумуляторной батареи, которая подсоединена к зарядному устройству, питающемуся от низковольтного трансформатора тока, который имеет низкий класс точности и установлен в цепи измеряемого тока аналогично измерительному трансформатору тока путем соединения вторичной обмотки с проводником с измеряемым током, а также с зарядным устройством для зарядки аккумуляторной батареи в момент протекания измеряемого тока.
Предлагаемое устройство требует регулярного обслуживания и периодической замены аккумуляторной батареи и его работа может быть нарушена при долговременном отсутствии тока в высоковольтной линии, например, при выводе ее в ремонт.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является изобретение, описанное в патенте RU 2516034.
В этом патенте описано устройство для измерения тока и напряжения в высоковольтной сети, с питанием компонентов, находящихся на высоком потенциале сети от быстронасыщающегося трансформатора тока, включенного в высоковольтную сеть, отличающееся тем, что быстронасыщающийся трансформатор тока содержит дополнительную обмотку, подключаемую при отсутствии тока в высоковольтной сети триггерным устройством между высоковольтной сетью и делителем напряжения.
В данном изобретении не компенсируется погрешность, вносимая схемой питания, обусловленная включением в цепь делителя напряжения дополнительно первичной обмотки трансформатора, на которой падает часть измеряемого напряжения. Кроме того, коммутатор, подключающий обмотку трансформатора в цепь делителя напряжения, не обладает высокой надежностью.
Предлагаемое устройство не имеет таких недостатков.
Технический результат, который достигается изобретением, состоит в повышении точности и надежности устройства. Технический результат достигается за счет того, что питание блока измерительного преобразователя, находящегося на высоком потенциале сети, осуществляется через трансформатор питания, постоянно включенный в плечо делителя напряжения. При этом погрешность, вносимая данным трансформатором, компенсируется сигналом, получаемым от дополнительной вторичной обмотки этого трансформатора. При режиме короткого замыкания сети, когда ток в сети многократно превосходит номинальный, а напряжение недостаточно для питания блока измерительного преобразователя, его питание осуществляется от измерительного трансформатора тока.
Изобретение поясняется фиг.1, на которой изображена блок-схема патентуемого устройства.
Преобразователь тока и напряжения высоковольтной сети в цифровой код содержит (обозначения по фиг.1):
1 - измерительный модуль;
2 - высоковольтный провод;
3 - измерительный трансформатор тока;
4 - дополнительный датчик тока (например, пояс Роговского);
5 - трансформатор питания;
6 - блок измерительного преобразователя, включающий аналого-цифровой преобразователь и оптический коммуникационный модуль;
7 - блок питания;
8 - делитель напряжения (цепь, состоящая из включенных последовательно конденсаторов);
9 - опорный изолятор;
10 - световод (волоконно-оптическая линия связи ВОЛС);
11 - приемное устройство ВОЛС;
12 - опора.
Преобразователь тока и напряжения высоковольтной сети в цифровой код включает измерительный модуль 1, внутри которого закреплены высоковольтный провод 2 с трансформатором тока 3 и дополнительным датчиком тока 4, низковольтное плечо делителя напряжения 8, а также трансформатор питания 5, имеющий первичную обмотку, включенную между низковольтным и высоковольтным плечами делителя напряжения 8 и две вторичных обмотки, одна из которых осуществляет питание блока измерительного преобразователя 6. Измерительный модуль 1 установлен на опорном изоляторе 9, внутри которого расположено высоковольтное плечо делителя напряжения 8 и световод 10. Опорный изолятор 9, в свою очередь, установлен на металлической или железобетонной опоре 12, входящей в состав открытого или закрытого распределительного устройства электрической сети. Высоковольтное звено делителя напряжения 8 соединяется одним выводом с выводом первичной обмотки трансформатора питания 5, а другим - с проводом заземления опоры 12.
Устройство работает следующим образом. Измерительный трансформатор тока 3 и делитель напряжения 8 масштабируют ток и напряжение высоковольтной цепи до значений, пригодных для обработки. Ввиду того, что измерительный трансформатор тока 3 и выход делителя напряжения 8 расположены на высоком потенциале сети, достигается высокая точность измерений действующих значений напряжения и тока. Кроме того, обеспечивается синхронность цифровых выборок, снижающая угловую погрешность. Трехканальный аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав блока измерительного преобразователя 6, осуществляет одновременное преобразование выборок сигналов от измерительного трансформатора тока 3, дополнительного датчика тока 4 и делителя напряжения 8 в цифровой код и выводит его через оптический коммуникационный модуль в световод 10. Сигнал о токе и напряжении, пройдя световод 10, попадает в приемное устройство ВОЛС 11, где преобразуется в электрические сигналы, которые в дальнейшем обрабатываются соответствующими приборами измерения или защиты. Питание блока измерительного преобразователя 6 осуществляется блоком питания 7, который получает энергию от трансформатора питания 5. При коротком замыкании в контролируемой сети ток через трансформатор тока 3 и дополнительный датчик тока 4 многократно увеличивается, а напряжение на делителе напряжения 8 существенно уменьшается и, соответственно, уменьшается ток через первичную обмотку трансформатора питания 5, так что энергии, получаемой со вторичной обмотки трансформатора питания 5, может не хватить для нормальной работы блока измерительного преобразователя 6. В этом случае блок питания 7 будет получать энергию от измерительного трансформатора тока 3.
Работу блока питания 7 поясняет фиг.2. На ней обозначено:
13 - шунт, напряжение на котором пропорционально току во вторичной обмотке трансформатора тока;
14 - выпрямительный мост, к которому прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора питания;
15 - диод;
16 - конденсатор, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения;
17 - последовательный стабилизатор напряжения.
При нормальном режиме работы сети напряжение на шунте 13 меньше напряжения на конденсаторе 16, поэтому диод 15 закрыт и ток вторичной обмотки измерительного трансформатора не ответвляется в цепь блока питания. Блок питания получает энергию от одной из обмоток трансформатора питания через выпрямительный мост 14. В режиме короткого замыкания высоковольтной сети ток вторичной обмотки измерительного трансформатора тока 3 значительно увеличивается и, соответственно, увеличивается напряжение на шунте 13, в результате чего диод 15 открывается и начинает заряжать конденсатор 16. Одновременно, вследствие снижения напряжения сети, напряжение на вторичной обмотке трансформатора питания уменьшается и диоды выпрямительного моста 14 запираются. Информация о величине тока короткого замыкания поступает на блок измерительного преобразователя от дополнительного датчика тока (пояса Роговского). Режим короткого замыкания длится кратковременно, затем срабатывает защита сети и нормальный режим восстанавливается.
Включение первичной обмотки трансформатора питания 5 последовательно в цепь делителя напряжения 8 создает в этой цепи падение напряжения в несколько сотен вольт. Это приводит к появлению погрешности измерения напряжения высоковольтной сети. В предлагаемом устройстве трансформатор питания 5 снабжен дополнительной вторичной обмоткой, напряжение которой используется для компенсации этой погрешности. Работу измерительной цепи устройства поясняет фиг.3. На ней обозначено:
18 - конденсаторы, образующие низковольтное плечо делителя напряжения (С1);
19 - конденсаторы, образующие высоковольтное плечо делителя напряжения (С2);
5 - трансформатор питания;
20 - масштабирующий блок (в качестве которого может быть применен резистивный делитель напряжения);
7 - блок питания.
Ток в делителе напряжения 8 определяется следующим образом:
I=(U_л-U_тр)/(Х_С1+Х_С2),
где U_л - напряжение между линией и землей, U_тр - напряжение на первичной обмотке трансформатора питания 5, Х_С1 - реактивное сопротивление низковольтного плеча, Х_С2 - реактивное сопротивление высоковольтного плеча.
Напряжение на выходе делителя:
U_вых=I⋅Х_C1.
Реактивное сопротивление плеч делителя:
Х_С1=1/(w⋅С_1);
Х_С2=1/(w⋅С2),
где w - круговая частота тока сети.
ЭДС на дополнительной обмотке трансформатора 3:
Е_k=U_тр⋅W_k/W_1,
где W_1, W_k - число витков первичной и дополнительной вторичной обмоток трансформатора 5 соответственно.
Измеряемое напряжение, подаваемое на вход аналого-цифрового преобразователя блока измерительного преобразователя 6 (по фиг.1):
U_изм=U_вых+K⋅Е_k=(U_л-U_тр)/(1+С_1/С_2)+K⋅U_тр⋅W_k/W_1,
где K - коэффициент передачи масштабирующего блока 20. Тогда если K=W_1/[W_k⋅(1+С_1/С_2)],
то
U_изм=U_л/(1+С_1/С_2).
Таким образом, влияние напряжения на первичной обмотке трансформатора питания на точность измерения компенсируется.