ТРЕХФАЗНОЕ АВТОНОМНОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ КОМПЛЕКСНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к системам контроля и учета электроэнергии на высоковольтных входных и выходных порталах электрических подстанций и узлах присоединений высоковольтных линий электропередачи.
Известен трехфазные оптические высоковольтные трансформаторы напряжения и тока (Гуртовцев А.Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройство, характеристики. Новости электротехники, №6, 2009), образованный тремя отдельными блоками, каждый из которых содержит преобразователь измерительный оптический тока, включенный в рассечку своего фазного провода и преобразователь измерительный оптический напряжения, установленные на изоляторе у фазного провода линии передачи электроэнергии высокого напряжения, присоединенные каждый к оптоволоконной линии передачи, которые соединяют их с аналоговыми устройствами измерения поляризационных характеристик электромагнитных волн в оптоволоконной линии, пропорциональных в соответствии с эффектом Фарадея (законом Верде) силе тока в проводе и в соответствии с эффектом Поккельса-фазному напряжению фазного провода относительно земли, выходы аналоговых устройств измерения поляризационных характеристик в каждой фазе через мультиплексор подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к контроллеру цифровой обработки данных.
Недостаток известного технического решения заключается в ограниченной области возможного размещения измерительного устройства, а именно, только вблизи пунктов, снабженных вторичными источниками питания электронных блоков.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому трехфазному автономному автоматическому комплексному измерительному устройству контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения является устройство, содержащее в каждой фазе автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения (патент на полезную модель №73492, МПК G01R 11/48 (2006.01), опубликован 28.12.2007 г.), содержащее проводящий корпус, который выполнен в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками, который установлен вертикально на диэлектрической подставке, размещенной на высоковольтном конденсаторе высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, который установлен вертикально и нижней обкладкой присоединен к земле, причем проводящий корпус включен последовательно в рассечку высоковольтного силового провода, низковольтный конденсатор низковольтного плеча емкостного делителя напряжения, включенный последовательно между верхней обкладкой высоковольтного конденсатора и проводящим корпусом и размещенный внутри проводящего корпуса, а выход емкостного делителя через мультиплексор подключен к входу аналого-цифровой преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом блока обработки данных, измерительный низковольтный трансформатор тока установленный на внешней стороне проводящего корпуса и укрепленный на ней через изолирующую прокладку, первичной обмоткой измерительного низковольтного трансформатора тока является высоковольтный силовой провод, а выводы вторичной обмотки измерительного низковольтного трансформатора тока через мультиплексор подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь блок обработки данных размещены внутри проводящего корпуса, радиопередатчик, размещенный внутри проводящего корпуса, вход которого соединен с выходом блока обработки данных, а выход с антенной, блок питания, который размещен внутри корпуса и вход которого подключен к вторичной обмотке электромагнитно связанного с фазным проводом низковольтного электромагнитного трансформатора тока, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки проводящего корпуса, укрепленного на ней через вторую изолирующую прокладку внутри выравнивателя поля, образованного конечным числом металлических полос, одним концом присоединенных к верхней плоской торцевой стенке цилиндра проводящего корпуса, а другим концом, присоединенных к плоской металлической стенке выравнивателя поля, выполненной в виде круга, причем полосы равномерно распределены по периметру круга плоской металлической стенке выравнивателя поля и верхней плоской торцевой стенки проводящего корпуса.
Недостатком этого технического решения является большая погрешность измеряемых линейных напряжений трехфазной линии высокого напряжения, ограниченная доступными синхронизирующими сигналами.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение класса точности (уменьшения погрешности) измеряемого линейного напряжения трехфазным автоматическим комплексным измерительным устройством контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения в автономном режиме.
Решение этой задачи достигается тем, что трехфазное автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения, содержащее в каждой фазе проводящий корпус, который выполнен в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками в виде кругов и установлен вертикально на диэлектрической подставке, размещенной на высоковольтном конденсаторе высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, который установлен вертикально и нижней обкладкой присоединен к земле, причем проводящий корпус включен последовательно в рассечку фазного провода, низковольтный конденсатор низковольтного плеча емкостного делителя напряжения, включенный последовательно между верхней обкладкой высоковольтного конденсатора и проводящим корпусом и установленный внутри проводящего корпуса, а выход емкостного делителя через мультиплексор подключен к входу аналого-цифровой преобразователя, выход которого соединен с входом блока обработки данных, измерительный низковольтный трансформатор тока установленный на внешней стороне проводящего корпуса и укрепленный на ней через изолирующую прокладку, первичной обмоткой измерительного низковольтного трансформатора тока является высоковольтный силовой провод, а выводы вторичной обмотки измерительного низковольтного трансформатора тока через мультиплексор подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь блок обработки данных установлены внутри проводящего корпуса, радиопередатчик, установленный внутри проводящего корпуса, вход которого соединен с выходом блока обработки данных, а выход с антенной, блок питания, который помещен внутрь корпуса и вход которого подключен к вторичной обмотке электромагнитно связанного с фазным проводом низковольтного электромагнитного трансформатора тока, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки проводящего корпуса, укрепленного через вторую изолирующую прокладку, в области внутри выравнивателя поля, образованного конечным числом металлических полос, одним концом присоединенных к верхней плоской торцевой стенке цилиндра проводящего корпуса, а другим концом, присоединенных к плоской металлической стенке выравнивателя поля, выполненной в виде круга, причем полосы равномерно распределены по периметру круга плоской металлической стенке выравнивателя поля и верхней плоской торцевой стенки проводящего корпуса, снабжено, волноводным излучателем, образованным открытым концом отрезка волновода, коаксиально-волноводным переходом, отрезком коаксиального кабеля, полосно-пропускающим фильтром, малошумящим усилителем, приемником глобальной навигационной спутниковой системы, например ГЛОНАСС, причем в центре плоской металлической стенки выравнивателя поля выполнено отверстие, в котором укреплен волноводный излучатель, второй конец которого присоединен к входу коаксиально-волноводного перехода, размещенного в области между плоской металлической стенкой выравнивателя поля и верхней плоской торцевой стенкой цилиндра проводящего корпуса, выход коаксиально-волноводного перехода через отрезок коаксиального кабеля подключен к входу полосно-пропускающего фильтра, выход которого присоединен к входу малошумящего усилителя, выход которого подключен к вводу приемника глобальной навигационной спутниковой системы, причем полосно-пропускающий фильтр, малошумящий усилитель и приемник глобальной навигационной спутниковой системы размещены внутри проводящего корпуса, а выход приемника глобальной навигационной спутниковой системы подключен к входу блока обработки данных.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана составляющая одной фазы трехфазного автономного автоматического комплексного измерительного устройства контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, на фиг.2 схематично показано размещение узлов устройства внутри корпуса, на фиг.3 показаны элементы одной фазы трехфазного автономного автоматического комплексного измерительного устройства, а на фиг.4 показана характеристика полосно-пропускающего фильтра устройства, а на фиг.5 показана характеристика волноводного излучателя.
Трехфазное автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения, содержит в каждой фазе проводящий корпус 1, который выполнен в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками: нижней - 2 и верхней - 3 и установлен вертикально на диэлектрической подставке 4, размещенной на высоковольтном конденсаторе 5 высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения. Высоковольтный конденсатор 5 установлен вертикально и нижней обкладкой 6 присоединен к земле. Проводящий корпус 1 включен последовательно в рассечку фазного провода 7. Низковольтный конденсатор 8 низковольтного плеча емкостного делителя напряжения, включен последовательно между верхней обкладкой 9 высоковольтного конденсатора 5 и проводящим корпусом 1 и установлен внутри проводящего корпуса 1. Выход емкостного делителя через мультиплексор 10 подключен к входу аналого-цифровой преобразователя 11, выход которого соединен с входом блока обработки данных 12. Измерительный низковольтный трансформатор тока 13 установленный на внешней стороне проводящего корпуса 1 и укрепленный через изолирующую прокладку 14 в области внутри выравнивателя поля, образованного конечным числом металлических полос 15, одним концом присоединенных к верхней плоской торцевой стенке 3 цилиндра проводящего корпуса 1, а другим концом, присоединенных к плоской металлической стенке 16 выравнивателя поля, выполненной в виде круга с отверстием в центре, причем полосы 15 равномерно распределены по периметру круга плоской металлической стенки 16 выравнивателя поля и верхней плоской торцевой стенки 3 проводящего корпуса. Первичной обмоткой измерительного низковольтного трансформатора тока 13 является высоковольтный силовой провод 7, а выводы вторичной обмотки измерительного низковольтного трансформатора тока 13 через мультиплексор 10 подключены к входу аналого-цифрового преобразователя 11. Радиопередатчик 17 установлен внутри проводящего корпуса 1, вход радиопередатчика 17 соединен с выходом блока обработки данных 12, а выход с антенной 18. Блок питания 19 помещен внутрь корпуса 1. Вход блока питания 19 подключен к вторичной обмотке электромагнитно связанного с фазным проводом 7 низковольтного электромагнитного трансформатора тока 20, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки 3 проводящего корпуса 1, укрепленного на ней через вторую изолирующую прокладку 21. Кроме того, в каждой фазе трехфазное автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения, содержит волноводный излучатель 22, образованный открытым концом отрезка волновода, коаксиально-волноводный переход 23, отрезок коаксиального кабеля 24, полосно-пропускающий фильтр 25, малошумящий усилитель 26, приемник 27 глобальной навигационной спутниковой системы. В центре плоской металлической стенки 16 выполнено отверстие, в котором укреплен волноводный излучатель 22, второй конец которого присоединен к входу коаксиально-волноводного перехода 23, размещенного в области между плоской металлической стенкой 16 выравнивателя поля и верхней плоской торцевой стенкой 3 цилиндра проводящего корпуса 1, выход коаксиально-волноводного перехода 23 через отрезок коаксиального кабеля 24 подключен к входу полосно-пропускающего фильтра 25, выход которого присоединен к входу малошумящего усилителя 26, выход которого подключен к вводу приемника 27 глобальной навигационной спутниковой системы. полосно-пропускающего фильтр 25, малошумящий усилитель 26 и приемник 27 глобальной навигационной спутниковой системы размещены внутри проводящего корпуса 1, а выход приемника 27 глобальной навигационной спутниковой системы подключен к входу блока обработки данных 12.
Трехфазное автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения работает следующим образом.
Информационный сигнал напряжения уровня от 0 до 5 В относительно потенциала корпуса 1, то есть высокого потенциала, пропорциональный высоковольтному фазному напряжению фазного провода 7 относительно земли, формируется емкостным делителем напряжения, образованным высоковольтными конденсатором 5 высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения и низковольтным конденсатором 8 низковольтного плеча емкостного делителя напряжения. Низковольтный конденсатор 8 включен между верхней обкладкой 9 высоковольтного конденсатора 5 и проводящим корпусом 1. С низковольтного конденсатора 8 низковольтного плеча емкостного делителя напряжения информационный аналоговый сигнал через мультиплексер 10, который обеспечивает временное разделение каналов измерения силы тока и фазного напряжения, поступает на вход аналого-цифровой преобразователя 11, выход которого соединен с входом блока обработки данных 12.
Информационный сигнал с напряжением уровня от 0 до 5 В пропорциональный силе тока в фазном проводе 7 снимается с выхода измерительного низковольтного трансформатора тока 13, установленного на внешней стороне проводящего корпуса 1, и через мультиплексор 10 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, с выхода которого оцифрованный сигнал пропорциональный силе фазного тока поступает на вход блока обработки данных 12.
С выхода блока обработки данных 12 информационный сигнал в виде цифровой последовательности соответствующей спектральному составу фазного тока, фазного напряжения и активной мощности основной гармоники поступает на вход радиопередатчика 17. Выход радиопередатчика 17 присоединен к антенне 18, которая формирует радиоканал приемо-передачи данных между измерительным устройством и диспетчерским пунктом для визуализации и хранения информации в соответствии с требованиями нормативной документации.
Радиопередатчик 17 выполнен, например в виде цифрового радиомодема в стандарте Ehernet типа Ultima3 ER. Передача информационных данных по радиоканалу помимо простого способа обеспечения высоковольтной развязки приемной стороны одновременно повышает помехозащищенность передаваемой информации, что реализуется применением сверхвысокочастотной несущей частоты равной ~2450 МГц в сочетании с широкополосной модуляцией несущей частоты полезным сигналом в стандарте 802.11 b. Применение радиопередатчика 17 канала передачи данных обеспечивает дальность передачи информации до 3 км при потребляемой мощности в пределах 5 Вт. Выполнение антенны 18 из диэлектрика исключает источники коронного разряда.
Блок питания 19 обеспечивает электропитание мультиплексора 10, аналого-цифрового преобразователя 11, блока обработки данных 12, радиопередатчика 17, малошумящего усилителя 26 и приемника 27 глобальной навигационной спутниковой системы. Энергия на вход блока питания 19 снимается с фазного провода 7 и поступает через вторичную обмотку электромагнитно связанного с фазным проводом 7 низковольтного электромагнитного трансформатора тока 20. Используя вторичные обмотки в стандартном низковольтном трансформаторе тока, например типа ТШЛП-10-1/3000А, обеспечивается уровень мощности блока питания 16 около 100 Вт.
Крепление низковольтного электромагнитного трансформатора тока 20, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки 3 проводящего корпуса 1, через вторую изолирующую прокладку 21 обеспечивает его электрическую изоляцию от проводящего корпуса 1. Изолирующая прокладка 14 в области внутри выравнивателя поля изолирует по напряжению измерительный низковольтный трансформатор тока 13, установленный на внешней стороне проводящего корпуса 1, от низковольтного электромагнитного трансформатора тока 20.
Выполнение проводящего корпуса 1 в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками: нижней - 2 и верхней - 3 при включении его в рассечку фазного провода 7обеспечивает его функционирование в режиме клетки Фарадея, которая работает как электромагнитный экран от низкочастотных помеховых полей фазного провода 7 в отношении установленных в ней блока питания 19, мультиплексора 10, аналого-цифрового преобразователя 111, блока обработки данных 12, радиопередатчика 17.
Вертикальная установка корпуса 1 на высоковольтном конденсаторе 5 определена рациональным вариантом ее крепления. Диэлектрическая подставка 4 необходима для выполнения гальванической развязки плеч делителя напряжения.
Снабжение трехфазного автономного автоматического измерительного устройства контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения в каждой фазе приемником 27 глобальной навигационной спутниковой системы обеспечивает прием синхронизирующих сигналов единого времени на все три аналого-цифровые преобразователи 11. Это позволяет обеспечить единство измерений во времени всеми блоками обработки данных 12 в каждой фазе (в пределах временных различий, не превышающих 5 мкс) и тем самым уменьшить погрешность измерения таких параметров электроэнергии, как линейные напряжения, мощность и энергия.
Помехозащищенность антенно-фидерного устройства приемника 27 глобальной навигационной спутниковой системы, обеспечена размещением волноводного излучателя 22, образованного открытым концом отрезка волновода, в отверстии в центре плоской металлической стенки 16 выравнивателя поля. Коаксиально-волноводный переход 23 и отрезок коаксиального кабеля 24 позволяют разместить малошумящий усилитель 26 и приемник 27 внутри корпуса 1 и тем обеспечить их помехозащищенность. Полосно-пропускающий фильтр 25 обеспечивает дополнительную селекцию полезного (синхронизирующего) сигнала ГЛОНАСС на входе малошумящего усилителя 26 от помех за счет полного сопротивления связи в коаксиальном кабеле 24.
Вертикальное размещение волноводного излучателя 22, соответствующее положению апертуры, образованной открытым концом волновода, параллельно поверхности земли формирует диаграмму направленности излучателя, ориентированную в верхнее полупространство, т.е. необходимую для связи с спутниками системы ГЛОНАСС.
В полезной модели применен полосно-пропускающий фильтр 25 с частотной характеристикой приведенной на фиг.4. Частотная характеристика излучателя приведена на фиг.5. В качестве приемника 27 использован сертифицированный приемник сигналов ГЛОНАСС/GPS производства КБ «НАВИС» NAV-IOR-24. Малошумящий усилитель 26 имеет параметры.
Параметры
Значение
Коэффициент усиления, dB
27
Коэффициент шума, dB
Менее 1
Полоса частот, MHz
1,4-1,9
Напряжение питания, В
12
Применение полезной модели трехфазного автономного автоматического измерительного устройства контроля и учета электроэнергии в сетях высокого напряжения (свыше 110 кВ) обеспечивает уменьшение погрешности измерений параметром электроэнергии, связанных с необходимостью единого времени отсчета начальной фазы, а также обеспечивает возможность создания распределенных систем измерения параметров электроэнергии в едином времени.