НЕИНВАЗИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к высоковольтной электроэнергетике и может быть использована для дистанционного точного преобразования токов и напряжений в высоковольтных электрических сетях для их последующего измерения.
Полезная модель относится к электрическому оборудованию высокого напряжения, и предназначено для масштабного преобразования электрических параметров до величин, пригодных для последующего измерения стандартными электроизмерительными приборами низкого напряжения.
Электрическое оборудование, предназначенное для преобразования параметров электрических цепей в сетях высокого напряжения – это известные в настоящее время классические электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, а также делители напряжения, катушки Роговского, датчики Холла, прочие преобразователи тока и напряжения, основанные на изменении поляризации светового потока, проходящего через определенное вещество, или основанные на иных принципах измерения, описаны 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. Адоньев Н.М., Афанасьев В.В., Карпенко Л.Н. Оптико-электронный трансформатор высокого напряжения. // Электричество, 1969 г., №11;
5. Афанасьев В.В., Зубков В.П., Крастина А.Д. Оптико-электронные трансформаторы тока. // Электричество, 1970 г., №7, стр.18-24.
6. Адоньев Н.М., Афанасьев В.В., Жалалис Л.В. Оптико-электронный трансформатор тока на 750 кВ с прямой модуляцией светового потока. // Электротехническая промышленность. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. 1972 г., №6 (15), стр.19, 20;
7. Афанасьев В.В., Зубков В.П., Крастина А.Д. Оптические трансформаторы тока для систем сверхвысокого напряжения. // Электричество, 1975 г., №6, стр.21-30.
8. Вавин В. Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи. 2-е изд. -М.: «Энергия», 1977 г.;
9. Афанасьев В.В, Адоньев Н.М, Кибель В.М. и др. Трансформаторы тока. 2-е изд., Л.: Энергоатомиздат, 1989 г., стр.343-380;
10. Авторское свидетельство СССР на изобретение № 390457 «Устройство для измерения тока в высоковольтных цепях» с приоритетом от 13.04.1971 г.;
11. Авторское свидетельство СССР на изобретение № 646261 «Оптико-электронный трансформатор напряжения» с приоритетом от 10.10.1977 г.;
12. Патент Российской федерации на изобретение № 2346285 «Высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока», с приоритетом от 05.09.2007 г.;
13. Патент Российской федерации на изобретение № 2368906 «Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока», с приоритетом от 05.09.2007 г.;
14. Патент Российской федерации на изобретение № 2365922 «Оптико-электронный датчик тока», с приоритетом от 07.04.2008 г.;
15. Патент Российской Федерации на полезную модель №100284 «Устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой», с приоритетом от 30.07.2010 г.;
16. Патент Российской Федерации на полезную модель № 2516034 «Устройство для измерения тока и напряжения в высоковольтной сети», с приоритетом от 08.10.2012 г.;
17. Патент Российской федерации на изобретение № 2564124 «Комплекс дистанционного контроля токов и напряжений», с приоритетом от 04.09.2014 г.;
18. Патент Российской Федерации на полезную модель № 2608335 «Оптико-электронный датчик тока и напряжения», с приоритетом от 29.04.2015 г.;
19. Открытые технические данные измерительных преобразователей, серийно производимые АО «Профотек» (ссылка в сети интернет https://www.profotech.ru/products/index.php);
20. Открытые технические данные измерительных преобразователей, серийно производимые, корпорацией Arteche (ссылка в сети интернет https://www.arteche.com/en/products/optical-current-transformer);
21. Серийно производимые компанией ООО «Ай-Тор», ссылка в сети интернет: http://i-tor.ru/index.php/o-produkte-i-tor/dlya-setej-35-kv/konstruktsiya-i-tor-35.
Все известные в настоящий момент классические электромагнитные устройства для масштабного преобразования параметров высоковольтной сети представляют собой стационарные устройства, устанавливаемые на подстанциях, на дополнительных опорах (источники 8, 9), или подвешиваемые на линиях электропередач (источник 21). Большинство известных устройств для точного преобразования тока требуют рассекать провод с током (источники 8, 9, 19-21) что влечет за собой дополнительные расходы на их установку. Большинство известных устройств требуют для передачи непосредственно преобразованных сигналов линию электрической связи (источники 8, 9), или линию оптической связи (источники 14 – 21) для передачи закодированной информации о преобразуемых величинах. Эти причины не позволяют установить устройства для измерения тока и напряжения в высоковольтную сеть без ее обесточивания, и быстро наладить преобразование параметров высоковольтной сети для их измерения.
Ближайшим аналогом патентуемой полезной модели является прототип по источнику 17. Данное устройство содержит содержащий управляющий терминал, связанный каналом передачи данных с группой регистраторов, каждый из которых содержит датчик тока в виде резисторного шунта, установленного в разрыв фазного провода высоковольтной сети, датчик напряжения в виде делителя напряжения, низкоомное плечо которого подключено к соответствующему резисторному шунту, а высокоомное - встроено в полый изолятор и заземлено, и модуль первичной обработки, в экранирующем корпусе которого, гальванически связанном с контролируемой точкой сети, размещены источник питания, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, сопряженные с датчиками тока и напряжения соответственно, блок управления, к которому подключены входы запуска и выходы аналого-цифровых преобразователей, при этом блок управления каждого регистратора снабжен датчиком точного времени, беспроводным приемопередатчиком, подключенным к указанному каналу передачи данных, и выполнен с возможностью одновременного запуска аналого-цифровых преобразователей, сопровождения метками точного времени измеренных цифровых значений тока и напряжения, хранения полученных данных и их передачи через беспроводный приемопередатчик, терминал выполнен с возможностью приема и совместной обработки данных, полученных от регистраторов, а комплекс - с возможностью смены режима работы регистраторов по командам управляющего терминала.
Недостаток прототипа по источнику 17 является требование разрыва фазного провода для преобразования тока, наличие полого изолятора и соответственно, требование места для его установки, а также сложной структуры передачи данных, в частности, сопровождение данных о преобразованных величинах метками времени, хранение данных с метками времени до их передачи по радиоканалу. Кроме этого, питание всей электронной части, находящейся в близости от провода с высоким напряжением, осуществляется от протекающего тока, и при его пропадании будет невозможно преобразовать напряжение.
Задачу, которую решает полезная модель – устранить разрыв провода с измеряемым током, устранить подготовку места для установки устройства, обеспечивать постоянное измерение тока и напряжения вне зависимости от протекающего тока.
Технический результат, решаемый полезной моделью – создание неинвазивного устройства для дистанционного точного преобразования тока и напряжения в сети высокого напряжения, с возможностью его быстрого монтажа и демонтажа, в том числе и без снятия напряжения с линии.
Для достижения технического результата, исходный прототип выполняется с датчиком тока в виде трансформатора тока, имеющего магнитный зазор магнитопровода для свободного помещения в его окно провода высоковольтной сети, и имеющего стабильную нагрузку вторичной обмотки (для точного преобразования во всем диапазоне измеряемых токов). Для устранения зависимости работы устройства от проходящего тока, для измерения напряжения применяется не высокоомный делитель напряжения, а емкостной, который кроме непосредственного преобразования напряжения, выполняет также функцию питания всей электронной части, за счет увеличения тока через высоковольтное плечо. Для быстрого монтажа и демонтажа, в качестве высоковольтного плеча емкостного делителя применяется высоковольтный конденсатор с минимальным током (и соответственно, емкостью, весом, габаритами), но для при этом возникает технический конфликт – может возникнуть недостаточное энергообеспечение электронной части, находящееся около провода высокого потенциала, для чего в исходном прототипе устраняются блоки управления и датчики точного времени, имеющие большие энергозатраты ввиду избыточной обработки сигналов и хранения данных. Преобразованные ток (с помощью трансформатора тока с зазором) и напряжение (с помощью емкостного делителя напряжения) идентично прототипу будут через аналого-цифровые преобразователи и беспроводные приемопередатчики передаваться на терминал в режиме реального времени, и после восстановления и исправления сигналов – на комплекс обработки.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображен эскиз неинвазивного устройства для дистанционного преобразования тока и напряжения в сети высокого напряжения. На фигуре цифрами обозначены:
1 – Провод или кабель высоковольтной сети, находящееся под высоким напряжением;
2 – Трансформатора тока, имеющего магнитный зазор магнитопровода;
3 – Конденсатор низковольтного плеча емкостного делителя напряжения;
4 –Конденсатор высоковольтного плеча делителя напряжения (высоковольтный конденсатор);
5 – Конденсатор для отбора мощности;
6 – Блок питания;
7 - Аналого-цифровой преобразователь преобразованного напряжения;
8 - Аналого-цифровой преобразователь преобразованного тока;
9 – Приемопередатчик напряжения (передающая часть);
10 – Приемопередатчик тока (передающая часть);
11 – Приемопередатчик (принимающая часть);
12 – Терминал обработки сигналов;
13 – Комплекс обработки сигналов.
Патентуемое устройство работает следующим образом. При протекании измеряемого тока по проводу или кабелю 1 через трансформатор тока, имеющего магнитный зазор магнитопровода 2, в его вторичной обмотке возникает ток, пропорциональный первичному. Если такой трансформатор имеет строго определенную нагрузку, то возможно достичь очень точного преобразования тока, в том числе и по фазовой погрешности (произведенные исследования в источнике 9). Напряжение от высоковольтного провода подается на делитель напряжения, образованного конденсатором отбора мощности 5, конденсатором низковольтного плеча 3, конденсатором высоковольтного плеча 4. Для обеспечения точного преобразования напряжения и отбора необходимой мощности, необходимо, чтобы параметры конденсаторов, а также нагрузки конденсаторов были строго согласованы, что достигается правильным расчетом плеч делителя. Одним из главных параметров при расчете - минимальная емкость конденсатора высоковольтного плеча 4, для снижения его массы и габаритов. Преобразованные ток и напряжение, имеющие минимальные погрешности преобразования, как и в прототипе, подаются на аналого-цифровые преобразователи 8 (для преобразованного тока) и 9 (для преобразованного напряжения), но в отличие от прототипа, цифроаналоговые преобразователи работают в режиме реального времени, без присвоения меток времени и хранения данных. Цифровой код через беспроводной приемопередатчик тока 9 и беспроводной приемопередатчик напряжения 10, с приемной частью 11 передают сигнал на терминал 12. На терминале 12 происходит восстановление сигналов из цифровой формы в вид, необходимый для дальнейшего измерения или обработки, и передается в комплекс обработки сигналов 13. Восстановление сигналов в терминале производится с временным сдвигом, для обеспечения точности фазного преобразования тока и напряжения. Ввиду того, что у аналого-цифровых преобразователей и беспроводных приемопередатчиков временный сдвиг не изменяется от частоты и величины передаваемых сигналов, для сети высокого напряжения промышленной частоты достаточно будет ввести фазовую задержку, рассчитанную на основную частоту сети (расчеты и испытания по источнику 9). На Комплекс обработки сигналов 13 придут преобразованные сигналы тока и напряжения с минимальными погрешностями по величине и по фазе.
Физическое построение патентуемого устройства изображено на фигуре 2, где цифрами обозначено:
1 - Провод или кабель высоковольтной сети, находящейся под высоким напряжением;
2 – Корпус, внутри которого расположен трансформатора тока, имеющего магнитный зазор магнитопровода, конденсатор низковольтного плеча емкостного делителя напряжения, конденсатор для отбора мощности, блок питания, аналого-цифровые преобразователи, беспроводные приемопередатчики (передающая часть);
3 – Конденсатор высоковольтного плеча делителя напряжения (высоковольтный конденсатор), на фигуре 2 условно показано в виде набора нескольких последовательно соединенных конденсаторов;
4 – Приемопередатчик (принимающая часть) с терминалом обработки сигналов.
В таком физическом построении устройство может быть надето на провод высокого напряжения с помощью высоковольтных штанг или летающего дрона на любом участке высоковольтной сети, заземление конденсатора высоковольтного плеча делителя напряжения может быть произведено на любой поверхности стандартными заземлителями, минимальный ток потребления от высокого потенциала (порядка 15-20 мА, расчеты в источнике 4) позволит снять устройство без образования дуги, а передача по беспроводной связи позволит обойтись без построения физических линий связи, а приемопередатчик (принимающая часть) с терминалом обработки сигналов может находиться на достаточном удалении от линии с измеряемым током и напряжением. Задача, решаемая полезной моделью, достигнута - устранен разрыва провода с измеряемым током, не требуется подготовка для установки устройства, постоянное измерение тока и напряжения вне зависимости от протекающего тока.
Технический результат, решаемый полезной моделью, достигнут – создано неинвазивное устройство для дистанционного преобразования тока и напряжения в сети высокого напряжения, с возможностью его быстрого монтажа и демонтажа, в том числе и без снятия напряжения с линии.