УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА С НАГРУЗКОЙ

Область техники
Предложение относится к электроизмерительной технике и может быть применено, в частности, в электроэнергетике для сопряжения средств учета электроэнергии, релейной защиты и противоаварийной автоматики с измерительными трансформаторами тока.
Уровень техники
Погрешность измерения, соответствующая номинальному классу точности измерительного трансформатора тока, обеспечивается в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки во вторичной цепи трансформатора тока. Этот диапазон указан в соответствующей технической документации [ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия]. Минимальная погрешность обеспечивается при оптимальной величине нагрузки, значение которой лежит внутри указанного диапазона. Выход нагрузки за пределы этого диапазона порождает дополнительную погрешность, для устранения которой вторичную обмотку трансформатора тока подключают к нагрузке через устройства сопряжения.
Известно устройство сопряжения трансформатора тока с нагрузкой, выбранное в качестве прототипа, в котором между входом устройства, предназначенным для подключения к вторичной обмотке трансформатора тока, и выходом устройства, предназначенным для подключения к нагрузке, включен развязывающий элемент [патент РФ №2174689, 2001 г. по кл. МПК G 01 R 19/00].
В устройстве-прототипе развязывающий элемент представляет собой преобразователь тока в напряжение, выполненный на операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с его выходом через резистор и предназначен для подключения к вторичной обмотке трансформатора тока, которая при этом работает в режиме короткого замыкания. Устройство-прототип имеет цепь коррекции, вход которой
предназначен для подключения к дополнительной вторичной обмотке трансформатора тока.
Поскольку прототипу необходим входной сигнал от дополнительной вторичной обмотки трансформатора тока, а его выходным сигналом является не ток, а напряжение, пропорциональное измеряемому току, использование прототипа на действующих объектах электроэнергетики требует замены или существенной доработки установленных трансформаторов тока, токоизмерительных приборов и аппаратуры релейной защиты, автоматики и учета электроэнергии.
Сущность полезной модели
Задача полезной модели - исключить дополнительную погрешность измерительных трансформаторов тока от изменения сопротивления нагрузки без необходимости замены или доработки установленного оборудования.
Объектом полезной модели является устройство сопряжения трансформатора тока с нагрузкой, содержащее балластный элемент, вход которого предназначен для подключения к вторичной обмотке трансформатора тока, и выполненный в виде преобразователя напряжения в ток развязывающий элемент, вход которого подключен к выходу балластного элемента, а выход предназначен для подключения к нагрузке.
Полезная модель имеет развития, которые состоят в том, что:
- преобразователь напряжения в ток содержит дифференциальный усилитель мощности, инвертирующий вход которого служит входом преобразователя, при этом выход преобразователя связан через первый и второй резисторы с выходом дифференциального усилителя мощности и с его неинвертирующим входом соответственно;
- дифференциальный усилитель мощности выполнен на операционном усилителе, неинвертирующий вход которого служит неинвертирующим входом дифференциального усилителя мощности и зашунтирован третьим резистором, инвертирующий вход операционного усилителя через четвертый резистор соединен с инвертирующим входом
дифференциального усилителя мощности, а через пятый резистор - с выходом операционного усилителя, который служит выходом дифференциального усилителя мощности;
- сопротивление второго резистора, по меньшей мере, на порядок больше сопротивления нагрузки;
- сопротивления второго и третьего резисторов равны сопротивлениям пятого и четвертого резисторов соответственно;
- входное сопротивление балластного элемента выбрано оптимальным по минимуму погрешности трансформатора тока.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема сопряжения трансформатора тока с нагрузкой с использованием предлагаемого устройства, содержащего балластный элемент и преобразователь напряжения в ток, на фиг.2 приведен пример выполнения схемы преобразователя напряжения в ток на дифференциальном усилителе, на фиг.3 приведен пример выполнения схемы устройства сопряжения на операционном усилителе.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии
На фигурах показаны:
1 - измерительный трансформатор тока,
2 - преобразователь напряжения в ток;
3 - балластный элемент:
4 - дифференциальный усилитель мощности, который может быть выполнен на операционном усилителе 5 так, как показано на см. фиг.3;
6 - нагрузка, которая может представлять собой последовательное соединение входных токоизмерительных цепей приборов и аппаратуры;
7, 8, 9, 10 и 11 - первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы соответственно.
В примерах осуществления полезной модели, показанных на фигурах, выход элемента 3 совмещен с его входом, подключенным к вторичной обмотке трансформатора 1.
Устройство работает следующим образом.
Сопротивление элемента 3 значительно меньше входного сопротивления преобразователя 2, поэтому вторичный ток трансформатора 1 практически полностью замыкается через элемент 3, сопротивление которого может быть выбрано оптимальным, исходя из условия обеспечения минимума погрешности измерения.
вых
вх
На элементе 3 выделяется напряжение, пропорциональное вторичному току трансформатора 1, которое поступает на вход преобразователя 2. Преобразователь 2 вырабатывает выходной ток i (фиг.3), пропорциональный входному напряжению U и практически независящий от величины нагрузки 6, подключенной к его выходу. Преобразователь 2 может быть выполнен (см. фиг.2) на дифференциальном усилителе 4, инвертирующий вход которого служит входом преобразователя 2. Выход 12 преобразователя 2 связан через первый резистор 7 с выходом усилителя 4, а через второй резистор 8 - с неинвертирующим входом усилителя 4. Для того, чтобы выходной ток преобразователя 2 практически полностью подавался в нагрузку 6, ее сопротивление должно быть много меньше сопротивления резистора 8. При больших значениях сопротивления резистора 8 (десятки или сотни кОм) это требование не является обременительным.
Рассмотрим работу устройства более подробно.
вх
На вход преобразователя 2 поступает напряжение U, пропорциональное вторичному току трансформатора 1.
Выходной ток преобразователя 2 равен (см. фиг.3)
откуда
Здесь и далее индексы сопротивлений соответствуют позиционным номерам соответствующих элементов схемы.
Из (1) следует (см. фиг.3), что
и далее
Откуда
вых
вх
Для того, чтобы выходной ток i зависел только от входного напряжения U, необходимо устремить к нулю левую часть равенства (3), т.е. положить
8
9
10
11
9
10
8
11
Это возможно, когда R+R=R+R и R=R, следовательно и R=R.
Тогда
При этом выходной ток
Ток в нагрузке, измеряемый соответствующими приборами и аппаратами,
6
8
9
вых
Поскольку сопротивление нагрузки R на несколько порядков меньше сопротивления (R+R), то ток нагрузки практически равен выходному току i.
То есть ток
вх
и, следовательно, пропорционален входному напряжению U, которое в свою очередь пропорционально вторичному току трансформатора 1.