УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СИЛЫ ТОКА В ФАЗНОМ ПРОВОДЕ В СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к системам контроля фазного тока в высоковольтных линиях электропередачи.
th
Известно измерительное устройство для оперативного контроля силы тока в фазном проводе линии передачи высокого напряжения (Special Features of the Application of a Current Tramsformer with the Separated Magnetic Circuit for the Control of Current in the Phase Conductor. ICEEE-2010. 13 International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components. Abstracts. Sept. 19-25, 2010. Alushta, Crimea, Ukraine, p.149-150.), содержащее электромагнитный трансформатор тока с разъемным магнитопроводом, электромагнитно связанный с фазным проводом линии передачи, источник сигнала переменного тока, формируемого цифровым способом с последующим цифро-аналоговым преобразованием, усилитель мощности, вход которого подключен к выходу цифро-аналогового преобразователя, а выход подключен к вспомогательной петле замкнутой на выходные зажимы усилителя мощности, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к вторичной обмотке электромагнитного трансформатора тока с разъемным магнитопроводом, выход которого подключен к входу системы цифровой обработки сигналов в фазном проводе и тарировочного сигнала во вспомогательной петле, а также контроллер, осуществляющий обработку, сличение сигналов и расчет поправочных коэффициентов для измеряемого спектра тока в фазном проводе.
Недостаток известного технического решения заключается в узком 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 устройству оперативного контроля тока в фазном проводе 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, установленную на диэлектрическом изоляторе, 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 сложность оперативного подключения устройства к фазному проводу, требующая размыкания либо витков оптоволокна при сохранении гальванической связи в фазном проводе, либо фазного провода при сохранении целостности витков оптоволокна.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение подключения и повышение класса точности измерений устройства оперативного контроля силы тока в фазном проводе в сетях высокого напряжения.
Решение этой задачи достигается тем, что устройство оперативного контроля силы тока в фазном проводе в сетях высокого напряжения, содержащее чувствительный элемент в виде оптоволокна, образующего оптический трансформатор тока, диэлектрический изолятор, и электронно-оптический блок, соединенный с чувствительным элементом через оптический кросс для оптического трансформатора тока, причем электронно-оптический блок образован источником электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазером), выход которого через последовательно включенный модулятор 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, аналого-цифровой преобразователь, снабжено полым металлическим цилиндром, замкнутым торцевыми стенками, вторым диэлектрическим изолятором, первым и вторым электромагнитными трансформаторами тока каждый с разъемным магнитопроводом и вторичной обмоткой, электромагнитно связанными с фазным проводом линии передачи, источником сигнала переменного тока, формируемого цифровым способом, мультиплексором, усилителем мощности, вспомогательной проводящей петлей, замкнутой на выходные зажимы усилителя мощности, контроллером цифровой обработки и сличения сигналов, приемо-передатчиком, антенной и блоком питания, диэлектрический изолятор выполнен в виде полого цилиндра с боковой поверхностью, имеющей продольный воздушный зазор соосный фазному проводу, и прикреплен к первому концу второго диэлектрического изолятора, который прикреплен к земле вторым концом, оптоволокно чувствительного элемента размещено на цилиндрической поверхности в виде поперечных полувитков, соединенных последовательно и оси которых образуют кривую линию в виде меандра, выход фазового детектора подключен к мультиплексору, выход которого присоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, вспомогательная проводящая петля связана с первым электромагнитным трансформатором тока, вторичная обмотка которого через мультиплексор соединена с аналого-цифровым преобразователем, выход которого присоединен к входу котроллера цифровой обработки и сличения сигналов, выход которого присоединен к входу приемо-передатчика, выход последнего соединен с антенной, вторичная обмотка второго электромагнитного трансформатора тока присоединена к блоку питания, выход которого подключен параллельно к электронно-оптическому блоку, к источнику сигнала переменного тока, к мультиплексеру, к усилителю мощности, к аналого-цифровому преобразователю, к контроллеру цифровой обработки и сличения сигналов, полый металлический цилиндр соединен с первым концом второго диэлектрического изолятора и включен последовательно в рассечку фазного провода, установлен параллельно фазному проводу и присоединен к нему контактами, прикрепленными к торцевым стенкам, электронно-оптический блок, источник сигнала переменного тока, мультиплексор, усилитель мощности, аналого-цифровой преобразователь, котроллер цифровой обработки и сличения сигналов, приемопередатчик и блок питания установлены в полом металлическом цилиндре, при этом антенна расположена в отверстии в стенке полого металлического цилиндра.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан внешний вид устройства оперативного контроля силы тока в фазном проводе в сетях высокого напряжения, а на фиг.2 приведена структурная схема устройства.
Устройство оперативного контроля силы тока в фазном проводе в сетях высокого напряжения содержит чувствительный элемент 1 в виде оптоволокна, образующего оптический трансформатор тока 2, диэлектрический изолятор 3, электронно-оптический блок 4, оптический кросс 5 для оптического трансформатора тока 2, причем электронно-оптический блок образован источником 6 электромагнитной волны оптического диапазона, выход которого через последовательно включенный модулятор 7 присоединен к входу оптического кросса 5, подключенного к входу оптоволокна чувствительного элемента 1, и параллельно к входу фазового детектора 8, второй вход которого присоединен к выходу оптического кросса 5, подключенного к выходу оптоволокна чувствительного элемента 1, аналого-цифровой преобразователь 9, полый металлический цилиндр 10, замкнутый торцевыми стенками 11, второй диэлектрический изолятор 12, первый электромагнитный трансформатор тока 13 с разъемным магнитопроводом 14 и вторичной обмоткой 15, второй электромагнитный трансформатор тока 16 с разъемным магнитопроводом 17 и вторичной обмоткой 18, источник 19 сигнала переменного тока, мультиплексор 20, усилитель мощности 21, вспомогательная проводящая петля 22, замкнутая на выходные зажимы усилителя мощности 21, контроллер 23 цифровой обработки и сличения сигналов, приемо-передатчик 24, антенну 25 и блок питания 26.
Диэлектрический изолятор 3 выполнен в виде полого цилиндра с боковой поверхностью 27, имеющей продольный воздушный зазор 28 соосный фазному проводу 29, и прикреплен к первому концу 30 второго диэлектрического изолятора 12, который прикреплен к земле 31 вторым концом 32. Оптоволокно чувствительного элемента 1 размещено на боковой поверхности 27 цилиндра в виде поперечных полувитков 33. Полувитки соединены последовательно и их оси образуют кривую линию в виде меандра. Выход фазового детектора 8 через мультиплексор 20 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 9. Вспомогательная проводящая петля 22 связана с первым электромагнитным трансформатором тока 13, вторичная обмотка 15 которого через мультиплексор 20 соединена с аналого-цифровым преобразователем 9, выход которого присоединен к входу котроллера 23 цифровой обработки и сличения сигналов, выход которого присоединен к входу приемо-передатчика 24, выход которого присоединен к антенне 25, вторичная обмотка 18 второго электромагнитного трансформатора тока 16 присоединена к блоку питания 26, выход которого подключен параллельно к электронно-оптическому блоку 4, источнику 19 сигнала переменного тока, мультиплексору 20, усилителю мощности 21, аналого-цифровому преобразователю 9, котроллеру 23 цифровой обработки и сличения сигналов и приемо-передатчику 24. Полый металлический цилиндр 10 прикреплен к первому концу 30 второго диэлектрического изолятора 12 и включен последовательно в рассечку фазного провода 29. Электронно-оптический блок 4, источник 19 сигнала переменного тока, мультиплексор 20, усилитель мощности 21, аналого-цифровой преобразователь 9, котроллер 23 цифровой обработки и сличения сигналов, приемо-передатчик 24 и блок питания 26 установлены в полом металлическом цилиндре 10. Антенна 25 установлена в отверстии 34 в торцевой стенке 11 полого металлического цилиндра 10.
Полый металлический цилиндр 10 установлен параллельно фазному проводу 29 и присоединен к нему контактами 35, прикрепленными к торцевым стенкам 11.
Устройство оперативного контроля силы тока в фазном проводе в сетях высокого напряжения работает следующим образом.
φ
φ
По фазному проводу 29 течет фазный ток определенной силы. Источник 6 электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазер) создает на входе модулятора 7 плоско поляризованную волну. С выхода модулятора 7 через оптический кросс 5 плоско поляризованная волна поступает на вход оптоволокна чувствительного элемента 1 и параллельно на вход фазового детектора 8, который преобразует угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в напряжение аналогового сигнала. Второй вход фазового детектора 8 присоединен к выходу оптического кросса 5, подключенного к выходу оптоволокна чувствительного элемента 1. При распространении плоско поляризованной волны вдоль оптоволокна чувствительного элемента 1 у волны под воздействием напряженности магнитного поля, пропорциональной силе тока в фазном проводе 29 возникает изменение плоскости поляризации. В соответствии с законом Верде суммарный угол поворота плоскости поляризации волны в оптоволокне чувствительного элемента 1 равен Θ=V·l·H, где V - коэффициент пропорциональности (Верде), l - длина оптоволокна чувствительного элемента 2, H - проекция напряженности магнитного поля, связанного с током в фазном проводе 29, вдоль направления полувитков 33 оптоволокна чувствительного элемента 1. Исходя из формулы для угла поворота плоскости поляризации волны в оптоволокне чувствительного элемента 1, в суммарном угле поворота Θ плоскости поляризации отсутствует вклад составляющих за счет распространения волны в оптоволокне параллельном оси цилиндрической поверхности диэлектрического изолятора 3.
Причем угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны не зависит от направления распространения волны, а определяется только направлением вектора напряженности магнитного поля. Поэтому в соседних полувитках 33, в которых волны распространяются навстречу друг другу, набег угла поворота плоскости поляризации суммируется. Таким образом, хотя оси полувитков 33 образуют кривую линию в виде меандра, но суммарный поворот плоскости поляризации оказывается пропорционален суммарной длине поперечных полувитков 33 оптоволокна чувствительного элемента 1.
С выхода чувствительного элемента 1 плоско поляризованная волна поступает на второй вход фазового детектора 8, а с его выхода сигнал в виде напряжения, пропорционального углу поворота плоскости поляризации волны, поступает на вход мультиплексора 20, с выхода которого поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9. Выход аналого-цифрового преобразователя 9 присоединен к входу котроллера 23 цифровой обработки и сличения сигналов, выход которого присоединен к входу приемо-передатчика 24. С выхода приемо-передатчика 24 присоединенного к антенне 25 сигнал в виде электромагнитной волны излучается в направлении пункта сбора, обработки и хранения измеренных данных о фазном токе в проводе 29.
Итак, на выходе фазового детектора 8 возникает аналоговый сигнал пропорциональный углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в чувствительном элементе 1, то есть силе тока в фазном проводе 12.
Применение в устройстве оперативного контроля силы тока в фазном проводе в сетях высокого напряжения токовой головки 2, образованной диэлектрическим изолятором 3 выполненным в виде цилиндрической поверхности, имеющей продольный воздушный зазор 27 и установленной соосно фазному проводу 29, при том, что оптоволокно чувствительного элемента 1 установлено на цилиндрической поверхности диэлектрического изолятора 3 в виде поперечных полувитков 33, соединенных последовательно, позволяет обеспечить оперативную установку устройства на фазном проводе 29 без нарушения его гальванической связи в линии передачи. Возможность такой установки обеспечивается продольным зазором 27 в изоляторе 3 и тем, что оптоволокно чувствительного элемента 1 не образует замкнутых витков. Возможность такой установки особенно важна в сетях высокого напряжения. Однако, учитывая незамкнутость петель оптоволокна чувствительного элемента 1, можно утверждать только пропорциональность между силой тока фазного провода 29 и выходным напряжением на выходе фазового детектора 8. Сам же коэффициент пропорциональности может быть выявлен только в процессе калибровки оптический трансформатор тока 2 измерительного устройства.
Из-за отсутствия повторяемости взаимного положения оптического трансформатора тока 2 и фазного провода 29, а значит повторяемости указанного выше коэффициента пропорциональности, при оперативной установке оптического трансформатора тока 2 измерительного устройства, устройство калибровки совмещено с измерительным устройством.
Устройство калибровки работает на основе вспомогательного тестового сигнала, формируемого цифровым способом в источнике 19 сигнала переменного тока. Вспомогательный тестовый сигнал формируется с частотой близкой, но не кратной промышленной частоте 50 Гц тока в фазном проводе 29, например 30 Гц.
С выхода источника 19 переменного тока аналоговый сигнал поступает на вход усилителя мощности 21, выход которого замкнут на вспомогательную проводящую петлю 22, включенную в магнитопровод первого трансформатора тока 13. Вторичная обмотка 15 первого трансформатора тока 13 через мультиплексор 20 присоединена к входным зажимам аналого-цифрового преобразователя 9, с выхода которого цифровая последовательность, соответствующая смеси тестового сигнала и сигнала фазного тока промышленной частоты 50 Гц поступает на вход котроллера 23 цифровой обработки и сличения сигналов, выход которого присоединен к входу приемо-передатчика 24, выход которого присоединен к антенне 25.
В блоке цифровой обработки осуществляется расчет спектрального состава смеси токов вспомогательного сигнала и сигнала фазного тока промышленной частоты 50 Гц. В контроллере 23 производится сравнение параметров вспомогательного синусоидального сигнала с выхода источника 19 и этого же сигнала с выхода цифро-аналогового преобразователя 9, в результате чего рассчитывается поправочный коэффициент для коэффициента передачи тока первого трансформатора тока 13. Сигнал с выхода контроллера 23 на частоте основной гармоники с известной систематической погрешностью, величина которой не превосходит долей процента, соответствует значению силы тока в фазном проводе 29.
На выходе аналого-цифрового преобразователя 9 кроме напряжения цифровой последовательности, соответствующей фазному току промышленной частоты 50 Гц, снимаемого с первого трансформатора тока 13, существует напряжения цифровой последовательности, соответствующей фазному току промышленной частоты 50 Гц, снимаемого с оптического трансформатора тока 2. Разделение этих сигналов одной и той же частоты 50 Гц обеспечено мультиплексором 20 в результате временной фильтрации. Поэтому для вспомогательного сигнала от источника 19 синусоидального сигнала, соответствующий фазному току промышленной частоты не является помехой. Сличение в контроллере 23 данных измеренных значений токов этими датчиками: первым трансформатором тока 13 и оптическим трансформатором тока 2, обеспечивает установление коэффициента преобразования оптического трансформатора тока 2. Наличие оптического трансформатора тока 2 с известным коэффициентом трансформации позволяет на два порядка расширить динамический диапазон измеряемых фазных токов при сохранении оперативной установки измерительного устройства.
Цифровая последовательность сигнала, соответствующая фазному току промышленной частоты в фазном проводе 29 линии высокого напряжения, с выхода контроллера 23 (с учетом рассчитанной поправки к коэффициенту трансформации первого трансформатора тока 13) поступает на вход приемопередатчика 24 измерительного и управляющего каналов, нагруженного на антенну 25, которая в установлена в отверстии 34 в торцевой стенки 11 полого металлического цилиндра 10.
Учитывая сильные электромагнитные поля в рабочей среде электронных блоков устройства оперативного контроля силы тока электронно-оптический блок 4, источник 19 сигнала переменного тока, мультиплексор 20, усилитель мощности 21, аналого-цифровой преобразователь 9, котроллер 23 цифровой обработки и сличения сигналов, приемо-передатчик 24 и блок питания 26 установлены в полом металлическом цилиндре 10, а антенна 25 для связи с диспетчерским пунктом установлена в отверстии 34 в торцевой стенке 11 полого металлического цилиндра 10. Полый металлический цилиндр 10 выполняет функцию электромагнитного экрана, коэффициент экранирования которого по электрическому полю практически идеален (то есть, не хуже 140 дБ). Для повышения экранных свойств полого металлического цилиндра 10 в отношении магнитной составляющей поля он приближен по физическим свойствам к клетке Фарадея, для чего присоединен своими торцевыми стенками 11 параллельно к фазному проводу 29. С ростом толщины стенок по своим физическим свойствам полый металлический цилиндр 10 приближается к идеальной клетке Фарадея, которая обтекается практически полным током фазного провода 29.
Второй диэлектрический изолятор 12 обеспечивает фиксированное положение полого металлического цилиндра 10, оптического трансформатора тока 2 относительно фазного провода 29.
Второй электромагнитный трансформатор тока 16 предназначен для съема мощности от тока фазного провода 29. Мощность снимается в виде напряжения с его вторичной обмотки 18 и поступает на вход блока питания 26, размещенного внутри полого металлического цилиндра 10.
Использование в измерительном устройстве для оперативного контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения комплекса технических решений, включающих разъемность магнитопроводов первого и второго (в цепи питания) трансформаторов тока и незамкнутость витков чувствительного элемента оптического трансформатора тока, калибровка коэффициента трансформации первого трансформатора тока, автономность энергоснабжения при радиоканальной передаче данных, осуществление контроля функционирования и управления, решение вопросов электромагнитной совместимости электронных блоков и полей ЛЭП обеспечивает достижение поставленной технической задачи, а именно: оперативность применения измерительного устройства и простоту его применения в линиях электропередачи высокого напряжения при обеспечении высокого класса точности измерений тока.