УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ
CURRENT AND VOLTAGE MEASUREMENT DEVICE IN HIGH-VOLTAGE NETWORK

Изобретение относится к электрическому оборудованию для масштабного преобразования тока и напряжения высоковольтной сети в электрические величины, пригодные для измерения стандартными электрическими измерительными приборами, а также для получения высоковольтной гальванической развязки между высоковольтной сетью и приборами измерения.
Масштабные преобразователи тока и напряжения с гальванической развязкой от высоковольтной сети общеизвестны - это широко применяемые для измерения электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, а также оптико-электронные датчики тока и напряжения.
Описания электромагнитных трансформаторов тока и напряжения приведены в следующих источниках:
1. Барзилович В.М. Высоковольтные трансформаторы тока. Л.: «Госэнергоиздат», 1962 г.
2. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока. Л.: «Энергия», 1964 г.
3. Вавин В.Н. Трансформаторы тока. М.: «Энергия», 1966 г.
4 Вавин В.Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи. 2-е изд. -М.: «Энергия», 1977 г.
5. Трансформаторы тока / В.В.Афанасьев, Н.М.Адоньев, В.М.Кибель и др. - 2-е изд., - Л.: «Энергоатомиздат». Ленингр. Отд., 1989 г.
Оптико-электронные датчики тока и напряжения, использующие для измерения величины тока или напряжения эффект вращения плоскости поляризации света, проходящего через специальное вещество, на которое воздействует магнитное или электрическое поле измеряемого тока или напряжения, известны из следующих источников:
6. Преобразователи тока и напряжения фирмы «NxtPhase T&D» (подразделение концерна «AREVA»), их описание приведено на сайте в сети интернет, адрес страницы http://www.nxtphase.com, или на сайте представителя этой фирмы в Российской федерации - фирмы ООО «Профессиональная линия», адрес страницы http://pro-ln.ru/ru/companv/general.html.
7. Преобразователи тока и напряжения фирмы «АВВ», их описание приведено на сайте в сети интернет, адрес страницы http://www.abb.ru/product/db0003db002618/bb8b8f6e3b6ab61dcl257623002a0 73f.aspx?productLanguage=m&country=RU.
Оптико-электронные датчики тока и напряжения, использующие для измерения классические преобразователи, не развязанные гальванически от сети высокого напряжения, с дальнейшим преобразованием измерительных сигналов в цифровую форму и передачи его в виде модулированного светового потока на сторону низкого потенциала, известны из уже упомянутого источника 5, стр.365-366, а также из следующих источников:
8. Патент Российской Федерации на полезную модель №100284 «Устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой», заявка №2010132183 с приоритетом от 30.07.2010 г.
9. Марценюк С.И. Оптико-электронный трансформатор тока и напряжения оригинальной конструкции. М.: «Энергоэксперт», 2012 г., №4, стр.42-45.
Наиболее близкими по технической сущности к патентуемому изобретению являются оптико-электронный трансформатор тока с частотно-импульсной модуляцией типа «Тразер» фирмы «Аллис-Чалмерс», описание которого приведено в источнике 5, стр.365-366, и устройство по источникам 8 и 9.
Оптико-электронный трансформатор тока с частотно-импульсной модуляцией типа «Тразер» состоит из первичного преобразователя (классического электромагнитного трансформатора тока), кодирующего блока, быстронасыщающегося трансформатора тока, трансформатора напряжения, высокоомного делителя напряжения, волоконного световода, опорной изоляционной конструкции, фотоприемника, регистрирующего прибора. Первичный преобразователь, кодирующий блок, быстронасыщающийся трансформатор тока и трансформатор напряжения расположены на стороне высокого потенциала сети, высокоомный делитель напряжения и волоконный световод расположены в теле опорной изоляционной конструкции, фотоприемник и регистрирующий прибор - на низком потенциале сети.
Оптико-электронный трансформатор тока с частотно-импульсной модуляцией типа «Тразер» работает следующим образом. Ток первичной цепи в первичном преобразователе (электромагнитном трансформаторе тока) масштабируется до значения тока, пригодного для измерения. Сигнал с первичного преобразователя передается на кодирующий блок, где аналоговая форма тока преобразовывается в частотно-импульсную форму, и далее - в модулированный световой поток. По волоконному световоду световой поток передается на сторону низкого потенциала, где принимается фотоприемником и преобразовывается регистрирующим прибором в аналоговую форму. Питание кодирующего блока на стороне высокого потенциала осуществляется:
- при наличии тока в высоковольтной сети - от быстронасыщающегося трансформатора тока;
- при отсутствии тока - от вторичной обмотки трансформатора напряжения, включенного первичными выводами в разрыв высоковольтной сети и высокоомного делителя напряжения.
Недостатком описанного устройства является сложная конструкция блока питания (наличия 2-х электромагнитных трансформаторов, высокоомного делителя напряжения). Кроме этого, имеющийся высокоомный делитель напряжения используется только как элемент блока питания и никак не используется для измерения напряжения.
Несколько иначе решен вопрос питания кодирующего блока, находящегося на высоком потенциале сети в устройстве измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой по источникам 8 и 9.
Указанное устройство состоит из:
- устройства для измерения (преобразования) тока, находящегося на высоком потенциале сети (электромагнитный трансформатор тока или токовый шунт);
- аналого-цифрового преобразователя, светоизлучателя и световой батареи, также находящихся на высоком потенциале сети;
- изоляционной колонны, на которой закреплены все выше перечисленные компоненты устройства и которая служит главной изоляцией;
- делителя напряжения, расположенного в теле изоляционной колонны, выводы низковольтного плеча делителя выведены на сторону высокого потенциала сети;
- устройства обработки электрических величин, находящегося на низком потенциале сети;
- светоизлучателя, также находящегося на низком потенциале сети.
Устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой работает следующим образом.
На высоком потенциале устройство измерения (преобразования) тока и делитель напряжения выдают в аналого-цифровой преобразователь масштабированные уровни тока и напряжения, пригодные для преобразования. Аналого-цифровой преобразователь преобразует сигнал тока и напряжения в цифровую форму. Цифровая форма тока и напряжения преобразуется светоизлучателем в модулированный световой поток и через воздушный промежуток или оптическое волокно передается на сторону низкого потенциала. Модулированный световой поток принимается на низком потенциале сети устройством обработки электрических величин, переводится в электрическую форму и далее расшифровывается либо в аналоговую форму, либо в другой кодированный вид для дальнейшей обработки. Питание аналого-цифрового преобразователя и светоизлучателя на стороне высокого потенциала сети осуществляется от световой батареи, которая постоянно освещена световым потоком от светоизлучателя, находящегося на низком потенциале сети через воздушный промежуток или оптическое волокно.
Недостатком устройства измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой является наличие канала передачи энергии на сторону высокого потенциала сети, для питания аналого-цифрового преобразователя и светоизлучателя. Кроме этого, в состав канала передачи энергии входят компоненты, которые не отличаются надежностью и стабильностью (например, световая батарея) и имеют крайне низкий коэффициент полезного действия (далее по тексту - «КПД»). Согласно данным источника 9, при реализации этого устройства измеренное значение КПД канала передачи энергии равнялось 3,6%.
Изобретением решается задача создания устройства для измерения тока и напряжения в высоковольтной сети, построенного на основе аналого-цифрового кодирования величин тока и напряжения на стороне высокого потенциала сети, с последующим излучением модулированного светового потока на сторону низкого потенциала, без канала передачи энергии со стороны низкого потенциала сети, с питанием компонентов, находящихся на высоком потенциале, либо от быстронасыщающегося трансформатора, либо от высокоомного делителя напряжения, который одновременно используется и как первичный масштабный преобразователь напряжения.
Технический результат, который достигается изобретением, состоит в повышении надежности устройства и уменьшении его энергопотребления, ввиду исключения канала передачи энергии, содержащего ненадежные оптические компоненты с низким КПД.
Это достигается тем, что в устройстве измерения токов и напряжений в высоковольтной сети полностью исключается из конструкции оптический канал передачи энергии, тем самым повышается надежность устройства, ввиду исключения его ненадежных компонентов (светоизлучателя и световой батареи). Исключение из конструкции канала передачи энергии с очень низким КПД снижает энергопотребление всего устройства. Питание компонентов, находящихся на высоком потенциале, производится от быстронасыщающегося трансформатора тока, включенного в главную цепь высоковольтной сети. Дополнительно, на магнитопровод быстронасыщающегося трансформатора тока намотана дополнительная обмотка. При снижении тока первичной цепи высоковольтной сети, при котором энергии, поступающей от быстронасыщающегося трансформатора, становится недостаточно для питания компонентов, находящихся на стороне высокого потенциала сети, простое триггерное устройство, выполненное либо на электромеханическом реле, либо на основе бесконтактного электронного ключа, подключает эту обмотку между высоковольтной сетью и высокоомным делителем напряжения, который служит также для первичного масштабного преобразования напряжения. Протекающий по высокоомному делителю напряжения ток поддерживает уровень поступления энергии в быстронасыщающийся трансформатор тока и, соответственно, поддерживает уровень энергии, необходимый для питания компонентов, находящихся на высоком потенциале сети. При повышении первичного тока высоковольтной сети триггерное устройство отключает дополнительную обмотку. Отключение дополнительной обмотки быстронасыщающегося трансформатора тока необходимо и для того, чтобы при больших токах не вносить дополнительную погрешность в измерение напряжения высокоомным делителем напряжения. Применить для питания устройства только энергию, получаемую при протекании тока через высокоомный делитель, не представляется технически обоснованным. Возможны режимы работы сети, при которых ток по высоковольтной сети протекает, а напряжения практически отсутствует (например, режим короткого замыкания).
Применение для питания компонентов, находящихся на высоком потенциале сети от быстронасыщающегося трансформатора тока с дополнительной обмоткой, автоматически подключаемой между высоковольтной сетью и высокоомным делителем напряжения, при снижении первичного тока менее требуемого, позволило создать надежное, с низким энергопотреблением устройство для измерения тока и напряжения в высоковольтной сети.
Изобретение поясняется фигурой 1, на которой изображена блок-схема патентуемого устройства измерения тока и напряжения в высоковольтной сети.
Устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной сети содержит (обозначения по фигуре 1):
1 - первичный масштабный преобразователь тока (электромагнитный преобразователь тока или токовый шунт);
2 - первичный масштабный преобразователь напряжения (высокоомный делитель напряжения) с выводами на сторону высокого потенциала;
3 - аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом преобразованного сигнала;
4 - блок питания;
5 - быстронасыщающийся трансформатор тока;
6 - дополнительная обмотка быстронасыщающегося трансформатора тока;
7 - триггерное устройство с электромеханическим или электронным ключом;
8 - изоляционная конструкция (изолятор);
9 - световод (оптическое стеклянное волокно);
10 - приемное устройство.
Устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной цепи работает следующим образом. Первичный масштабный преобразователь тока 1 и напряжения 2 масштабируют ток и напряжение высоковольтной цепи до значений, пригодных для обработки. Ввиду того что первичные масштабные преобразователи 1 и 2 расположены на высоком потенциале сети, достигается высокая точность измерения уровней тока и напряжения. Аналого-цифровой преобразователь 3, расположенный также на высоком потенциале сети, преобразовывает измеренные уровни тока и напряжения в цифровой код и выводит его в оптическом виде в световод 9. Сигнал о токе и напряжении, пройдя световод 9, попадает в приемное устройство 10, где либо преобразовывается обратно в аналоговую форму, либо преобразовывается в соответствующую форму для дальнейшей обработки другими приборами измерения или защиты. Питание аналого-цифрового преобразователя 3 осуществляется блоком питания 4, который получает питание от быстронасыщающегося трансформатора тока 5. Энергия от быстронасыщающегося трансформатора тока 5 поступает в блок питания 4 при наличии хотя бы минимального тока в высоковольтной сети. При пропадании тока в высоковольтной сети, например, при ее отключении от нагрузки, но при наличии напряжения срабатывает триггерное устройство 7, измеряющее уровень сигнала на выходе первичного масштабного преобразователя тока 1. При срабатывании триггерного устройства 7 дополнительная обмотка 6, намотанная на магнитопровод быстронасыщающегося трансформатора тока 5, подключается между высоковольтной сетью и первичным масштабным преобразователем напряжения 2. По обмотке начинает протекать ток, обеспечивая через трансформатор 5 энергией блок питания 4. Ток, протекающий в обмотке 6, должен быть рассчитан таким образом, чтобы точность первичного масштабного преобразователя напряжения 2 не вышла за нормированные пределы и было обеспечено хотя бы минимальное поступление необходимой для работы устройства энергии в блок питания 4.
При появлении тока в сети триггерное устройство 7 отключает дополнительную обмотку 6. При этом первичный масштабный преобразователь напряжения 2 переключается на напряжение сети, быстронасыщающийся трансформатор тока 5 начинает работать в штатном режиме, извлекая энергию для блока питания 4 из сети.
Таким образом, создано устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной сети, обладающего повышенной надежностью и сниженным потреблением электроэнергии.