ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОКА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ В СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
REAL-TIME MEASUREMENT DEVICE FOR 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 (клетка Фарадея) электронных блоков, который экранирует электронные блоки системы от электромагнитных полей и обеспечивает их защиту от внешних погодных факторов, включенный в рассечку провода линии электропередачи высокого напряжения, высоковольтный конденсатор, служащий опорой измерительного блока и являющийся нижним плечом емкостного делителя напряжения, конденсатор верхнего низковольтного плеча делителя напряжения, датчик тока (измерительный низковольтный электромагнитный трансформатор тока), установленный на проводящем корпусе, изолированный от него диэлектрической прокладкой и помещенный в защитный экран от электрического поля и магнитных полей токов соседних фаз, низковольтный трансформатор тока блока питания, вторичные обмотки которого подключены к входу вторичного источника питания электронных блоков, измерительный модуль, образованный блоками аналоговой и цифровой обработки данных, приемопередатчик с антенной. Приемопередатчик обеспечивает при гальванической развязке между измерительной системой и центром сбора данных, двунаправленную радиолинию для передачи параметров качества и количества электроэнергии, а также сигналов управления и контроля за процессом измерения.
Недостаток известного технического решения заключается в недостаточно широком динамическом диапазоне измеряемых токов, а также в возможной потере работоспособности в режимах коммутации и аварийных, соответствующих броскам тока до величин десятков номинальных значений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому измерительному устройству контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения является устройство, содержащее чувствительный элемент в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала, охватывающих токопровод и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптический блок, соединяемый с чувствительным элементом через оптический кросс для оптического трансформатора тока, причем электронно-оптический блок образован источником электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазером), выход которого присоединен к входу модулятора, выход которого присоединен к входу оптического кросса, подключенного к входу оптоволокна чувствительного элемента, и параллельно к входу фазового детектора, второй вход которого присоединен к выходу оптического кросса, подключенного к выходу оптоволокна чувствительного элемента, выход фазового детектора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с буфером сбора данных (А.Л.Гуртовцев. Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройства, характеристики. Новости электротехники, №5 (60), 2010 г.).
Недостатком такого технического решения является ограниченная область возможного удаления устройства от пунктов сбора, обработки и хранения данных.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения автономного режима работы измерительного устройства контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения.
Решение этой задачи достигается тем, что измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, содержащее диэлектрический изолятор, чувствительный элемент в виде витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала, охватывающих токопровод фазного тока и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптический блок, соединенный с чувствительным элементом, образованный источником электромагнитной волны оптического диапазона, выход которого соединен с входом модулятора, а выход последнего присоединен к первому входу фазового детектора, выход фазового детектора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, снабжено проводящим корпусом, выполненным в виде клетки Фарадея, низковольтным электромагнитным трансформатором тока, первичной обмоткой которого является токопровод фазного тока, а вторичная обмотка подключена к входу вторичного блока питания устройства контроля тока, измерительным модулем, выполненным в виде блока цифровой обработки данных, приемопередатчиком и антенной, проводящий корпус включен в рассечку токопровода фазного тока и установлен на диэлектрическом изоляторе, электронно-оптический блок размещен в проводящем корпусе, выход модулятора электронно-оптического блока подключен к входу чувствительного элемента, второй вход фазового детектора подключен к выходу чувствительного элемента, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу измерительного модуля, выход которого подключен к входу приемопередатчика, выход которого подключен к антенне.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, на фиг.2 схематично показано размещение электронных блоков внутри проводящего корпуса, на фиг.3 показан чувствительный элемент в виде витков оптоволокна на токопроводе фазного тока, на фиг.4 приведена функциональная схема устройства.
Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения содержит диэлектрический изолятор 1, чувствительный элемент 2 в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку 3 из немагнитного материала, охватывающих токопровод 4 фазного тока и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптический блок 5, соединенный с чувствительным элементом 2, образованный источником электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазером) 6, выход которого соединен с входом модулятора 7, выход последнего присоединен к входу чувствительного элемента 2 и к первому входу 8 фазового детектора 9, на второй вход 10 которого поступает сигнал с выхода чувствительного элемента 2, выход фазового детектора 9 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 11, проводящий корпус 12, выполненный в виде клетки Фарадея, включенный в рассечку токопровода 4 фазного тока и установленный на диэлектрическом изоляторе 1. Устройство также содержит низковольтный электромагнитный трансформатор тока 13 блока питания 14 устройства контроля тока. Первичной обмоткой трансформатора тока 13 служит токопровод 4 фазного тока, а вторичная обмотка 15 присоединена к входу блока питания 14 устройства контроля тока, измерительный модуль 16, выполненный в виде блока цифровой обработки данных, приемопередатчик 17 с антенной 18.
Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого работает следующим образом.
По токопроводу 4 течет фазный ток определенной силы. Источник электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазер) 6 создает на входе модулятора 7 плоскополяризованную волну. С выхода модулятора 7 часть сигнала поступает на вход чувствительного элемента 2 и распространяется вдоль его оптоволокна до выхода чувствительного элемента 2. Другая часть сигнала с выхода модулятора 7 поступает на первый вход 8 фазового детектора 9, на второй вход 10 которого поступает волна с выхода чувствительного элемента 2. При распространении электромагнитной волны вдоль оптоволокна чувствительного элемента 2 за счет эффекта Фарадея плоскость поляризации волны изменяется пропорционально силе тока, то есть напряженности магнитного поля, образующего кольцевые силовые линии в поперечном сечении токопровода 4. В соответствии с законом Верде угол поворота плоскости поляризации: Θ=V·l·Н, где Θ - угол поворота плоскости поляризации волны в оптоволоконной линии, V - коэффициент пропорциональности (Верде), l - длина оптоволокна чувствительного элемента 2, Н - напряженность магнитного поля, связанная с током в токопроводе 4 законом полного тока. На выходе фазового детектора 9 возникает аналоговый сигнал, пропорциональный углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, то есть силе тока в токопроводе 4. С выхода фазового детектора 9 сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, с выхода которого оцифрованный сигнал поступает на вход блока цифровой обработки данных измерительного модуля 16. С выхода измерительного модуля 16 преобразованный сигнал, соответствующий частотному спектру фазного тока в токопроводе 4 в каждый момент времени, то есть в реальном времени, поступает на вход приемопередатчика, где преобразуется в стандарт радиоканала (например, Ethernet 802.11 b) и через антенну 18 на выходе приемопередатчика 17 излучается в направлении диспетчерского пункта, где принимается приемниками и визуализируется, поступает на хранение в соответствии с нормативными документами. Электропитание устройства, а именно: электронно-оптического блока 5, аналого-цифрового преобразователя 11, блоков измерительного модуля 16, приемопередатчика 17 осуществляется по параллельной схеме от вторичного блока питания 14 устройства контроля тока, образованного низковольтным электромагнитным трансформатором тока 13. Первичной обмоткой трансформатора тока 13 является токопровод 4 фазного тока, с которым через магнитопровод связаны его вторичные обмотки 15. С вторичных обмоток 15 трансформатора тока 13 снимается мощность для питания электронных блоков измерительного устройства.
Проводящий корпус 12 за счет выбора его формы в виде клетки Фарадея, включенной в рассечку фазного провода 4, экранирует электронно-оптический блок 5, аналого-цифровой преобразователь 11, вторичный блок питания 14, измерительный модуль 16 и приемопередатчик 17 от помехового действия электромагнитных полей собственного фазного провода 4 линии передачи высокого напряжения, а кроме того, обеспечивает их защиту от внешних погодных факторов. Кроме того, за счет выполнения стенок корпуса 12 из проводящего материала обеспечивается экранирование электронных блоков 5, 11, 14, 16 и 17, установленных в нем от воздействия помеховых электромагнитных полей соседних фаз.
За счет длины диэлектрического изолятора 1 достигается необходимое для включения проводящего корпуса 12 в рассечку фазного провода 4 положение корпуса 12.
Наличие приемопередатчика 17, обеспечивает при гальванической развязке между измерительной системой и центром сбора данных двунаправленную радиолинию для передачи параметров тока, а также приема и передачи сигналов управления и контроля за процессом измерения. Возможную удаленность положения измерительного устройства относительно диспетчерского пункта и реализацию автономного режима мониторинга обеспечивает радиолиния.
Использование в устройстве измерительной системы электропитания с отбором мощности от тока фазного провода позволяет осуществить независимое от низковольтных сетей электроснабжение блоков измерительного устройства контроля тока, включая питание генератора электромагнитных волн оптического диапазона (например, лазера) 6 и всего электронно-оптического блока 5, аналого-цифрового преобразователя 11, блока цифровой обработки измерительного модуля 16 и приемопередатчика 17. Наличие радиоканала для обеспечения приема данных и передачи сигналов контроля и управления на удаленное измерительное устройство контроля тока позволяет существенно расширить его функциональные возможности.