ДАТЧИК ТОКА ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и предназначена, в частности, для измерения средних токов в высоковольтных линиях электропередачи переменного напряжения.
Описание полезной модели
Известны электромагнитные измерительные преобразователи тока RU 2006043 С1, 15.01.1994; RU 2079848 С1, 20.05.1997, для измерения без разрыва электрической цепи с преобразующим трансформатором (поясом Роговского). Известен также измеритель токов RU 2079848 С1, 20.05.1997 с поясом Роговского, содержащий обмотку, размещенную каркасе, имеющий интегрирующий операционный усилитель.
Устройство, приведенное в патенте RU 2133473 С1, от 06.01.98, кл. G01R 19/00, принятое за прототип, содержит ферромагнитный пояс, окружающий токоведущий провод, содержит две обмотки, причем на вторую обмотку подается компенсирующее напряжение.
К недостаткам прототипа, относится необходимость использования дополнительного компенсирующего напряжения. Для подачи его к высоковольтной линии (от 6 до 500 кВ) требуются дополнительные керамические изоляторы, для повышения изоляции между и приемной измерительной аппаратурой и линией. Вес изоляторов и их стоимость нарастают пропорционально напряжению линии. Если для линии напряжением 6 кВ вес изоляторов и конденсаторов составляет 5…6 кг, то для линии 36 кВ он составляет 20…30 кг, а для линии 500 кВ - 200…300 кг. Соответственно возрастает стоимость датчиков тока. что препятствует широкому использованию прототипа в качестве устройства для измерения токов в высоковольтных сетях.
Сущность модели состоит в использовании преобразователя силы измеряемого тока в световые импульсы, частота следования которых пропорциональна силе тока, а приемная аппаратура находится на расстоянии 5…10 м от линии высокого напряжения, что приводит к ее полной изоляции от высокого напряжения.
Технический результат заключается в полной изоляции высоковольтного напряжения от низковольтной части аппаратуры и сети передачи данных. При этом уменьшается вес и стоимости аппаратуры, причем одновременно повышается помехоустойчивость канала дистанционной передачи данных измерения силы тока на большие расстояния.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве датчика используется ферритовый контур, расположенный на высоковольтном токоведущем проводе, с катушкой из двухсот витков медного провода с отводом от 20-го витка, а к выходным концам катушки и к отводу подсоединены преобразователи напряжения в оптические импульсы инфракрасного диапазона с частотой следования пропорциональной силе тока в токоведущем проводе, а на расстоянии 5…10 м находятся фотоприемные устройства, преобразующее оптические импульсы в электрические с одновременным усилением и инверсией частоты в цифровой двоичный код для телеметрической передачи результатов измерений на большие расстояния. При этом преобразователи, подсоединенные к концам и отводу катушки, имеют разные длины волн излучения.
1
2
Структурная схема предлагаемой модели измерителя тока представлена на Фиг.1. На схеме Фиг.1 приняты следующие обозначения: высоковольтный токоведущий провод 1 окружен ферритовым контуром 2, на котором находится катушка с N витками медного провода 3; снимаемое с катушки напряжение подается на преобразователь в оптические импульсы 4 с длиной волны излучения λ, частота которых пропорциональна силе тока; преобразователь 4 по оптический каналу передачи 5 связан с фотоприемным устройством 6 с оптическим фильтром и усилителем; далее следует счетчик импульсов 7 с преобразователем в последовательный цифровой код для телеметрического канала передачи данных на большое расстояние по каналу 8. Для увеличения диапазона измерения в устройстве предусмотрен отвод от 20-го витка катушки 9, который также подсоединен к устройству преобразования в оптические импульсы 10 с другой частотой следования и с другой длиной волны излучения λ формирующей оптический канал связи 11 с фотоприемником 12.
Устройство работает следующим образом.
1
1
Ток, проходящий по высоковольтному токоведущему проводу 1, создает переменное магнитное поле, которое действует на ферромагнитный контур 2 и возбуждает напряжение в катушке медного провода 3 с 200 витками. Напряжение с катушки пропорциональное силе тока в токоведущем проводе 1 подается в преобразователь 4, где упомянутый ток преобразуется в оптические импульсы на длине волны λ с частотой следования импульсов пропорциональной силе тока. Оптические импульсы по воздушному оптическому каналу передачи 5 поступают в фотоприемный блок 6, с фокусирующим элементом и селективным фильтром, пропускающим длину волны λ.
В блоке 6 оптические импульсы преобразуются в электрические и усиливаются до напряжения 4…5 В. Полученные электрические импульсы идут в счетчик импульсов 7, преобразуются в последовательные цифровые коды, поступающие в телеметрический канал 8 для передачи данных на большое расстояние к диспетчерской ЭВМ, где могут использоваться в базе данных или для формирования показаний щитовых приборов.
1
2
2
2
При сильных токах в высоковольтной линии передачи 1 формирователь импульсов на длине волны λ блокируется стабилитроном и начинает работать преобразователь 10 от отвода с 20-го витка катушки 9 для измерения сильных токов. Преобразователь сильных токов 10 формирует оптические импульсы на длине волны λ с частотой пропорциональной одной десятой силы тока, которые через оптический канал 11, на длине волны λ, поступают в фотоприемный блок 12 с оптическим фильтром, пропускающим длину волны λ, и усилителем. Электрические импульсы из блока 12 с кодирующим символом идут в счетчик импульсов 7 с преобразователем в последовательные цифровые коды для телеметрического канала передачи данных на большое расстояние 8 с поправкой на десятикратную значимость.
1
2
Устройство и принцип работы фотоприемных блоков 6 и 12 (Фиг.1) поясняется структурной схемой на Фиг.2, где даны следующие обозначения: λ и λ - оптические импульсные сигналы от преобразователей 4 и 10 (Фиг.1) на соответствующих длинах волн, поступающие на фокусирующие линзы 13, за которыми находятся фильтры 14, а за ними фотодиоды с усилителями 15, электрические импульсы с которых поступают на двоичный счетчик импульсов 7 с преобразователем в последовательный цифровой код, подаваемый в телеметрический канал передачи данных на большое расстояние 8.
Примеры применения
Предлагаемое устройство проверялось на стенде с проводниками тока напряжением до 10 кВ и показало возможность измерения усредненного тока от 0,1 до 100 А с точностью 0,2%. Количество витков в катушке 3 составляло 200 и отвод 9 был на 20-м витке. Расстояние воздушного оптического канала изменялось от 5 до 10 м без ухудшения точности измерений. Оптические каналы выбраны на длинах волн 0,85 и 0,98 мкм Специально подобранные германиевые интерференционные фильтры позволяли четко разделять выбранные каналы и исключить влияние солнечного света на оптические каналы передачи импульсов.
В процессе испытаний исследовали влияние внешних электромагнитных помех на канал передачи. Исследования показали, что колебания электромагнитного поля напряженностью до 10 В/см с частотой 50 Гц не сказываются на показаниях прибора.
Сравнительные характеристики известного и предлагаемого измерителя тока приведены в табл.1. Согласно данным табл.1 предлагаемое устройство превосходит прототип по всем параметрам.
Таблица 1.
Сравнительные характеристики известного и предлагаемого измерителя тока
№ пп
Параметры и характеристики
Известное устройство (прототип)
Предлагаемое устройство
1
Рабочие диапазоны измерения силы тока, А
0,1…30
0,1…300
2
Относительная точность измерения, %
0,5
0,2
3
Тип канала передачи
Токи смещения
Оптический
4
Наличие дополнительного изоляции между высоковольтной линией и низковольтной измерительной аппаратурой
есть
нет
5
Вес дополнительной изоляции, кг: на 6 кВ
10
нет
на 36 кВ
100
нет
на 360 кВ
800
нет
6
Ориентировочная стоимость измерителя
тока, тыс.руб.: на 6 кВ
6
3
на 36 кВ
36
15
на 360 кВ
360
100
7
Потребляемая мощность аппаратуры, Вт
100
10