Дистанционный измеритель тока

УДК 621.317.3

ДИСТАНЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА

В.К. КОЗЛОВ, И.Н. ЛИЗУНОВ, С.И. НОВИКОВ

Казанский государственный энергетический университет

В статье рассмотрено устройство, предназначенное для измерения тока в электрических сетях, с дистанционной передачей информации посредством беспроводных каналов связи в системы автоматики и защиты объектов электроэнергетики.

Ключевые слова: трансформатор тока; релейная защита и автоматика энергосистем; автоматизированные системы управления в электроэнергетике (АСУТП); автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ); автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ); интеллектуальные сети.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ), как и трансформаторы напряжения, являются важнейшими элементами электроэнергетических систем. Измерительные трансформаторы являются первичными устройствами для систем релейной защиты, автоматики, учета и контроля электроэнергии, а также и для интеллектуальных сетей и инновационных «цифровых» подстанций. Современные автоматизированные системы управления в электроэнергетике (АСУТП), автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и интеллектуальные сети (smart grid) подразумевают использование высоконадежных, высокоточных и, в лучшем случае, «интеллектуальных» измерителей тока, которые удовлетворяют всем современным требованиям.

На сегодняшний день на объектах электроэнергетики используются массивные, громоздкие и дорогостоящие ТТ, что особенно актуально для сетей 110 кВ и выше (например, высота ТГФМ-110 - 2390 мм, а диаметр корпуса (головки) - 590 мм [1]. Ориентировочная стоимость ТГФМ-110 - 1170000,00 руб. [2]). Такие недостатки как традиционных электромагнитных ТТ, так и инновационных - оптических ТТ обусловлены, прежде всего, применением изоляционных конструкций, рассчитанных на класс напряжения сети.

Значительно удешевить и упростить первичные измерители тока и, вместе с тем, обеспечить «бесшовную» интеграцию таких измерителей в современные системы автоматизации позволит предлагаемое устройство - дистанционный измеритель тока. Такой измеритель позволит надежно измерять фазные токи в проводниках (проводах ЛЭП, шинах распределительных устройств (РУ) станций и подстанций) как в нормальном режиме с точностью, необходимой для работы в системах АСКУЭ, так и в ненормальных и аварийных режимах сети для подключения к терминалам релейной защиты и автоматики.

Схема устройства показана на рис. 1 [3]. Последовательно с токопроводом 1, на котором производится измерение, присоединен измерительный низковольтный ТТ 2. С выводов вторичной обмотки низковольтного ТТ микроконтроллером связи

© В.К. Козлов, И.Н. Лизунов, С.И. Новиков Проблемы энергетики, 2012, № 9-10

(устройством сопряжения) 4 фиксируется сигнал, пропорциональный измеряемому току, и с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразует его в цифровой код. Далее, согласно заложенному в микроконтроллер связи программному алгоритму, микроконтроллер преобразует к наиболее удобному виду цифровой код, обрабатывает его, в том числе с помощью подпрограммы нерекурсивного цифрового фильтра и сохраняет выборки во встроенную память. Одновременно выборки подаются в аппаратуру канала связи 7. Аппаратура канала связи из полученных от микроконтроллера связи цифровых сигналов формирует, согласно заложенным протоколам связи, информационные сообщения (телеизмерения) и отсылает их на промежуточный или базовый сервер (контроллер) системы АСУТП или интеллектуальные сети электроэнергетического объекта 10. Помимо беспроводных каналов (и соответственно протоколов) связи 8, аппаратура канала связи может передавать информацию по оптоволокну.

Рис. 1. Структурная схема устройства с использованием низковольтных трансформаторов тока

Для питания микроконтроллера связи и аппаратуры канала связи в устройстве предусмотрен источник питания, состоящий из низковольтного трансформатора тока 3, включенного в токопровод измеряемой цепи. Далее питающее напряжение с ТТ или питающего шунта подается на фильтрующий элемент источника питания 6, который содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения, а также фильтр низких частот. Выпрямленное питающее напряжение с фильтрующего элемента подается на стабилизирующий элемент источника питания 5, который, в зависимости от исполнения, может содержать аккумулятор (батарею) и зарядное устройство. В последнем случае обеспечивается надежная работа всего устройства как в режиме холостого хода, так и при полном отсутствии тока в измеряемой цепи (когда она отключена полностью).

Для дополнительной защиты электронной аппаратуры устройства от разрушительных процессов, возникающих при внутренних или внешних перенапряжениях в высоковольтной сети, параллельно ТТ предусмотрено подключение ограничителя напряжения 11. Для увеличении надежности работы устройства в случае кратковременных пауз в питании от ТТ, возникающих при прохождении процессов в высоковольтной сети, обусловленных коротким замыканием, в цепи вторичной

© Проблемы энергетики, 2012, № 9-10

обмотки ТТ предусмотрена установка резервирующего конденсатора 9, питающего электронную аппаратуру устройства в таких режимах работы.

Все компоненты устройства размещаются в герметичном, токопроводящем и экранирующем кожухе, находящемся под потенциалом высоковольтной сети, в которой происходят измерения. Такое размещение позволяет отстроиться от электромагнитных полей, кожух позволяет дополнительно защитить аппаратуру от коммутационных или грозовых перенапряжений, а также минимизировать температурный градиент между шунтирующей и измерительной частью цепи. Благодаря этому соблюдается одинаковое изменение проводимости материала шунтирующей и измеряемой цепи токопровода и, соответственно, компенсируются температурные изменения окружающей среды -увеличивается точность и надежность измерений, уменьшается погрешность способа.

Также возможно конструктивное исполнение дистанционного измерителя тока с использованием шунтов, что позволит применять его как в сетях переменного, так и постоянного тока (рис. 2). Измерительный шунт 13 включается параллельно или последовательно и имеет непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение. Для питания микроконтроллера связи и аппаратуры канала используется питающий шунт 14, также включенный в токопровод измеряемой цепи. Для дополнительной защиты электронной аппаратуры устройства от разрушительных процессов, возникающих при внутренних или внешних перенапряжениях в высоковольтной сети, последовательно измерительному и питающему шунту предусмотрено подключение токоограничивающих катушек индуктивности 12.

Рис. 2. Структурная схема устройства с использованием шунтов

Дистанционный измеритель тока может быть установлен в любом подходящем по размерам месте в РУ классов напряжения от 6(10) кВ и выше. В качестве основной изоляции в устройстве используется воздушная изоляция, уровень которой определяется только расстоянием между токопроводом и заземленными частями РУ, поэтому одно и то же устройство может быть применимо в РУ различных классов напряжения.

Протоколы передачи информации с устройства на промежуточный или базовый сервер (контроллер) систем АСУТП или «smart grid» определяются программно, или непосредственно при монтаже, или дистанционно в процессе эксплуатации с помощью соответствующих программных продуктов.

Таким образом, данное устройство позволяет значительно уменьшить стоимость измерителя тока в сетях 6(10) кВ и выше, уменьшить массогабаритные параметры, © Проблемы энергетики, 2012, № 9-10

обеспечить надежность функционирования и работоспособность устройства как в нормальных, так и в аварийных режимах работы электроустановки (ЭУ). Полностью исключается гальваническая связь между частями ЭУ, находящимся под высоким потенциалом токопровода, и элементами, находящимся под потенциалом земли, обеспечивается простая и удобная «бесшовная» интеграции устройства в системы АСУТП и интеллектуальные сети энергообъектов. По принципу действия устройство без существенных конструктивных изменений может быть применимо в электроустановках различных классов напряжения, а также дистанционный измеритель тока может быть использован как в сетях постоянного, так и переменного тока.

Выводы

В данной статье представлено описание дистанционного измерителя тока, приводится принципиальная схема. Выявленные основные преимущества позволяют использовать устройство в электроэнергетических установках напряжением 6(10) кВ и выше вместо существующих ТТ в качестве первичных устройств систем релейной защиты, учета, контроля электроэнергии и автоматизированных систем энергообъектов.

Summary

In article in devoted to the device intended for measurement of a current in electric networks, with remote information transfer by means of wireless channels in systems of automatic equipment and protection of power industry facilities.

Keywords: current transformer; relay protection and automatic protection equipment of electric power systems; the automated control systems of technological process; SCADA; the automated systems of dispatching management; the automated information-measuring systems of the commercial electric power metering; smart grid.

Литература

1. ОАО ВО «Электроаппарат» [Электронный ресурс] // http://www.ea.spb.ru.

2. B2B-Energo Информационно-аналитическая и торгово-операционная система [Электронный ресурс] // http://www.b2b-energo.ru.

3. Пат. 115923 Российская федерация U1 G01R 19/00. Устройство для измерения переменного тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации / В.К. Козлов, И.Н.Лизунов.

Поступила в редакцию 14 июня 2012 г.

Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194271. E-mail: Kozlov_vk@bk.ru.

Лизунов Игорь Николаевич - канд. техн. наук, ст. препод. кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194272. E-mail: Nebkoue@yandex.ru.

Новиков Сергей Иванович - магистрант 1 года обучения кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (904) 6605049. E-mail: 090390ns@mail.ru.

© Проблемы энергетики, 2012, № 9-10