УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ТОКОВ
DEVICE FOR MEASURING HIGH CURRENTS

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к приборам для измерения токов и может быть использовано для контроля и определения формы тока, протекающего в цепях высоковольтных линий передачи.
Известно устройство для измерения больших токов [RU 2229137 С2, МПК 7 G01R 19/00, опубл. 20.05.2004], содержащее три разветвителя тока, представляющие собой калиброванные проводники, включенные через трансформатор. Проводники расположены в ″окне″ трансформатора тока встречно-параллельно, образуя первичную обмотку трансформатора тока, и создают результирующий магнитный поток, пропорциональный разности магнитных потоков, индуцируемых токами ветвей разветвителя. Проводники имеют одинаковое сечение и посредством линейных зажимов закреплены неразборно, что исключает влияние переходных сопротивлений при присоединениях.
Недостатки данного устройства заключаются в значительных весогабаритных параметрах разветвителя, необходимого для измерения больших токов, низкой временной стабильности, обусловленной коррозией контактов разветвителя, а также в необходимости использования магнитопроводов большего диаметра.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для компенсации погрешности трансформатора тока [RU 2449296 С1, МПК G01R 19/00 (2006.01), опубл. 27.04.2012], содержащее трансформатор тока, измерительный шунт, включенный в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, и интегратор, первый вход которого подключен параллельно измерительному шунту. Вход двухполярного релейного органа подключен к выходу интегратора, первый вход детектора разнополярности сигналов подключен параллельно измерительному шунту, а второй вход подключен к выходу интегратора. Первый вход логического элемента И-НЕ которого подключен к выходу двухполярного релейного элемента, а второй вход подключен к выходу детектора разнополярности сигналов. Вход блока добавочного напряжения соединен с выходом логического элемента И-НЕ. Блок добавочного напряжения включен последовательно с измерительным шунтом и подключен к выводу вторичной обмотки трансформатора тока. Интегратор реализован с входным умножителем-сумматором, и его второй вход подключен к выводу вторичной обмотки трансформатора тока.
В этом устройстве блок добавочного напряжения функционирует в импульсном режиме, что приводит к появлению в сигнале паразитных спектральных компонент и ограничивает частотный диапазон измеряемых токов.
Задача изобретения - расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для измерения больших токов, также как в прототипе, содержит трансформатор тока и измерительный шунт.
Согласно изобретению токосъемная штанга включена непосредственно в измерительную цепь, на которой смонтированы бесконтактный трансформатор тока и измерительный токовый шунт. Бесконтактный трансформатор тока связан с первым аналого-цифровым преобразователем, а измерительный токовый шунт соединен со вторым аналого-цифровым преобразователем. К первому аналого-цифровому преобразователю подключен первый блок быстрого преобразования Фурье. Ко второму аналого-цифровому преобразователю подключены блок сравнения и второй блок быстрого преобразования Фурье, к выходу которого подключен уровневый детектор, соединенный с первым блоком умножения, вход которого связан с выходом первого блока быстрого преобразования Фурье. Выход первого блока умножения подключен к блоку обратного преобразования Фурье, который соединен с первым входом второго блока умножения, второй вход которого подключен к выходу блока сравнения. Второй блок умножения соединен с блоком сравнения и с дисплеем.
Предложенное устройство позволяет измерять большие токи за счет оцифровки сигналов с выходов бесконтактного трансформатора тока и измерительного токового шунта (а) на фиг. 1) и применения быстрого преобразования Фурье к этим сигналам (б) на фиг. 1). Последующее сравнение спектров позволяет минимизировать искажения, вносимые насыщением сердечника бесконтактного трансформатора тока. Далее выполняется восстановление сигнала по его спектру, его масштабное преобразование и визуализация (в) на фиг. 1). Тем самым по сравнению с прототипом устраняются источники импульсных помех, минимизируются паразитные спектральные компоненты, в том числе высокочастотные, и расширяется спектральный диапазон измеряемых токов.
Преимуществом предлагаемого устройства при его реализации является возможность использования распространенных моделей бесконтактных трансформаторов тока, нелинейные искажения выходных сигналов которых компенсируются за счет использования линейных измерительных токовых шунтов.
На фиг. 1 приведены временные диаграммы основных сигналов, где а) - нелинейно искаженный сигнал с выхода трансформатора тока и линейно искаженный сигнал с выхода измерительного токового шунта; б) - спектр нелинейно искаженного сигнала с выхода трансформатора тока и спектр линейно искаженного сигнала с выхода измерительного токового шунта; в) - результирующий скорректированный выходной сигнал.
На фиг. 2 приведена структурная схема устройства для измерения больших токов.
Устройство для измерения больших токов содержит токосъемную штангу 1, включенную непосредственно в измерительную цепь, на которой смонтированы бесконтактный трансформатор тока 2 и измерительный токовый шунт 3. Блок регистрации и обработки сигнала 4 (БРОС) содержит первый аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП1), к которому подключен первый блок быстрого преобразования Фурье 6 (БПФ1), второй аналого-цифровой преобразователь 7 (АЦП2), к которому подключены второй блок быстрого преобразования Фурье 8 (БПФ2) и блок сравнения 9 (БС). Уровневый детектор 10 (УД) подключен к выходу второго блока быстрого преобразования Фурье 8 (БПФ2), к первому блоку умножения 11 (БУ1), вход которого подключен к выходу первого блока быстрого преобразования Фурье 6 (БПФ1). Выход первого блока умножения 11 (БУ1) подключен к блоку обратного преобразования Фурье 12 (БОПФ), который подключен к первому входу второго блока умножения 13 (БУ2), второй вход которого подключен к выходу блока сравнения 9 (БС). Второй блок умножения 13 (БУ2) соединен с дисплеем 14 (Д) и с блоком сравнения 9 (БС). Бесконтактный трансформатор тока 2 связан с первым аналого-цифровым преобразователем 5 (АЦП1), а измерительный токовый шунт 3 соединен со вторым аналого-цифровым преобразователем 7 (АЦП2).
Первый и второй аналого-цифровые преобразователи 5 (АЦП1) и 7 (АЦП2) выполнены с помощью аналого-цифровых преобразователей AD7693. Блоки быстрого преобразования Фурье 6 (БПФ1), 8 (БПФ2), а также обратного преобразования Фурье 12 (БОПФ) выполнены с помощью цифровых сигнальных процессоров ADSP-21991. Блоки умножения 11 (БУ1), 10 (БУ2), сравнения 9 (БС) и уровневый детектор 13 (УД) выполнены с помощью микроконтроллеров ADSP-TS201S. В качестве измерительного шунта 3 использован токовый шунт Fluke А40В. В качестве трансформатора тока 2 использован трансформатор тока Lilco 13 W0100.
Т
Ш
Т
Ш
Т
Ш
Т
i
Ш, i
Т
j
Ш, j
Измеряемый ток i, протекающий по токосъемной штанге 1, преобразуют трансформатором тока 2 в напряжение U, а измерительным шунтом 3 - в напряжение U. Напряжение U претерпевает нелинейные искажения, вызванные насыщением магнитопровода трансформатора тока 2, а напряжение U может претерпеть линейные искажения, вызванные частотной зависимостью импеданса шунта 3. Затем напряжения U и U, оцифровывают с помощью аналого-цифровых преобразователей 5 (АЦП1) и 7 (АЦП2) соответственно. Полученные выборки тока {U, } и {U}, где i - номер числа в выборке, с помощью блоков быстрого преобразования Фурье 6 (БПФ1) и 8 (БПФ2) соответственно подвергают процедуре преобразования Фурье. В результате получают массивы спектральных компонент сигнала трансформатора тока 2 {S,} и измерительного шунта 3 {S}, где j - номер спектральной компоненты в выборке. После чего спектральные компоненты сигнала измерительного токового шунта поступают на вход уровневого детектора 10 (УД), где каждую ненулевую компоненту приводят к единичному уровню:
Ш, j
Ш, j
Ш, j
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>Ш</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>></mo><mn>0.</mn></mrow>
{S2}=0, если {S}=0 и {S}=1, если
Т, j
Ш, j
T, j
Полученные массивы чисел {S} и {S2} перемножают в блоке умножения 11 (БУ1) и результат этой операции {S2} подвергают обратному преобразованию Фурье в соответствующем блоке 12 (БОПФ). Восстановленный сигнал с выхода блока умножения 13 (БУ2) поступает на вход блока сравнения 9 (БС), на второй вход которого поступает сигнал с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП2). При различии этих сигналов блок сравнения 9 (БС) формирует управляющее воздействие на блок умножения (БУ2), который выполняет масштабное преобразование сигнала. При совпадении этих сигналов блок умножения (БУ2) прекращает масштабное преобразование сигнала и восстановленный сигнал отображают на дисплее 14 (Д).
Таким образом, минимизируют нелинейные искажения, вносимые в измеряемый сигнал насыщением магнитопровода трансформатора тока 2.
Путем пошаговых приближений производят линейное выравнивание уровней сигнала с выхода блока обратного преобразования Фурье 12 (БОПФ) и аналого-цифрового преобразования 7 (АЦП2). Для этого задействуют блоки сравнения 9 (БС) и умножения 13 (БУ).
В итоге получают результирующий выходной сигнал с минимизированными нелинейными искажениями, прямопропорциональный измеряемому току i.