WO2019160437A1 - Combined current and voltage transformer - Google Patents

Combined current and voltage transformer Download PDF

Info

Publication number
WO2019160437A1
WO2019160437A1 PCT/RU2018/000102 RU2018000102W WO2019160437A1 WO 2019160437 A1 WO2019160437 A1 WO 2019160437A1 RU 2018000102 W RU2018000102 W RU 2018000102W WO 2019160437 A1 WO2019160437 A1 WO 2019160437A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
current
fiber
transformer
combined current
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000102
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Николай Иванович СТАРОСТИН
Александр Алексеевич СОКОЛОВСКИЙ
Алексей Александрович ДИКЕВИЧ
Максим Анатольевич ЯНИН
Петр Николаевич КУРОВИЧ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек"
Акционерное общество "Профотек"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек", Акционерное общество "Профотек" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек"
Publication of WO2019160437A1 publication Critical patent/WO2019160437A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/04Voltage dividers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20Instruments transformers
    • H01F38/22Instruments transformers for single phase ac
    • H01F38/34Combined voltage and current transformers

Definitions

  • the technical solution relates to electrical engineering and can be used for commercial metering of electricity in high-voltage networks, measuring the quality of electricity and protection systems.
  • a combined device for measuring current, voltage, and providing RF communications includes a high voltage capacitor, a high voltage unit with a current transformer and a transmitter under high voltage potential, a base unit with a receiver at zero potential, and the high voltage unit transmitter is connected to the receiver of the base unit through a high voltage capacitor and is galvanically connected to one of the high voltage bushings.
  • a capacitor voltage transformer incorporates a high voltage capacitor, a high voltage unit with a current transformer and a transmitter that is completely at high voltage potential, and a base unit with a receiver that is at zero potential, while the transmitter is connected to the receiver using a high voltage capacitor, which serves as for HF communication, and for transmitting a signal about the magnitude of the measured current.
  • the current value is measured on the high voltage side by a current transformer, the measured current value is converted by a transmitter located on the high voltage side into an encoded signal.
  • the receiver converts the received encoded signal into a current value.
  • each device uses a high-voltage capacitor in its frequency range.
  • a high voltage voltage transformer operates at an industrial network frequency of 50 hertz, a range of 50-600 kilohertz is used for RF communications, and a current meter operates in the megahertz range.
  • the three devices can use one high-voltage capacitor, while not interfering with each other.
  • An independent power source is used to power the transmitter or the necessary power is transmitted from the base unit with a high-frequency signal via a high-voltage capacitor.
  • the disadvantage of this technical solution is the use of inductive transformers for measuring current, which are characterized by the disadvantages mentioned above.
  • the disadvantage of this device is the transmitter power system, which, when using an autonomous power source, has a limited time resource, and when powered by a high-frequency signal, it will require a powerful RF signal generator.
  • This combined fiber-optic voltage and current transformer contains a hollow insulating column with a voltage divider, a measuring and conversion module located at its high-voltage end connected to the sensor of the measured current and the basic signal processing module under zero potential.
  • the measuring and conversion module is connected by a two-wire fiber optic line to the base module.
  • the basic module is equipped with a data photodetector, an optical power transmitter and a network digital data transmitter, and the measurement and conversion module is equipped with an optical data transmitter and a photovoltaic power receiver.
  • the measuring and converting module and the base module are connected by a two-channel fiber-optic line, through one channel of which the optical power necessary for powering the measuring and converting module is transmitted, and data on the measured current and voltage are transmitted through the other channel.
  • a clock source is introduced into the base module, the output of which is connected to the optical power transmitter and the synchronization input of the network data transmitter, and the measurement and conversion module contains a clock generator, whose input is connected to the photovoltaic power receiver, and the output - to the start input of the measurement and conversion module .
  • the utility model has a refinement development, which consists in the fact that:
  • the sensor of the measured current can be made in the form of a current transformer with a resistor load, a current shunt or Rogowski belt, loaded on an integrating circuit;
  • the divider may be voltage resistive or capacitive
  • an additional sensor of the measured current can be connected;
  • This combined current / voltage transformer is the need to place electronic devices at high potential and provide them with power in ways that provide high-voltage galvanic isolation.
  • Another disadvantage of this CTN is that the duplex fiber optic communication line runs inside a high voltage column that is filled with insulating oil. This requires quite sophisticated methods of sealing the internal volume of the column, which are not always effective when operating the CTN in a wide temperature range. The consequence of these disadvantages is the low accuracy of the measurement and the reliability of the device.
  • the claimed current and voltage transformer can significantly overcome these disadvantages inherent in both existing analogues and the prototype.
  • the technical problem that the proposed technical solution solves is the creation of a reliable and accurate current and voltage transformer.
  • the technical result consists in increasing the reliability of the combined current and voltage transformer with increasing measurement accuracy.
  • the combined current and voltage transformer contains a high voltage support tubular insulator with a voltage divider, a measured current sensor (current transformer), measuring and converting module, fiber-optic communication line with the base unit, while the current transformer is made in the form of a fiber circuit of a magnetically sensitive optical fiber covering the current bus, and the fiber-optic communication line is laid in a tube located inside the high-voltage supporting tubular insulator, the ends which is hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage supporting tubular insulator.
  • the magnetically sensitive optical fiber is made in the form of a fiber with a built-in spiral structure of the axes of linear birefringence and a radiation reflector at the end.
  • the tube is made of an insulating material inert to oil.
  • Figure 1 General view of a combined current / voltage transformer
  • Figure 2 is a sectional view of a combined current / voltage transformer.
  • the combined current and voltage transformer contains a high voltage support tubular insulator 1, on the upper flange of which a measured current sensor (current transformer) is installed, which is a fiber sensing element 3 covering the current bus 4 in a protective casing in the form of a loop of a magnetically sensitive optical fiber, capacitive (or resistive ) a voltage divider 2, located inside the high-voltage supporting tubular insulator 1, a fiber-optic communication line 6 with the base unit, passing through without a tube 5 of insulating material located inside the high-voltage supporting tubular insulator 1, the ends of which are hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage supporting tubular insulator 1, the base (stand) 7 for accommodating the measuring-transducer module 8.
  • a measured current sensor current transformer
  • a tube 5 of insulating material located inside a high-voltage supporting tubular insulator passing through a volume filled with oil, the ends of which are hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage supporting tubular insulator 1, provides long-term protection of the fiber cable passing in this tube 5 from destructive exposure to the oil in which the capacitive divider is located, and also solves the problem of tight insulation of the cable input / output from the output of the magnetically sensitive fiber a contour of the internal volume of the high-voltage insulator filled with insulating oil, simplifying the sealing of the capacitive divider, increasing reliability of operation while maintaining high accuracy of measurement of the combined transformer.
  • the presence of a tube reduces the required volume of insulating oil.
  • the tube 5 for the cable passing inside the tubular insulator can be made of the same material as the carrier tube of the insulator, for example, fiberglass.
  • the tube can also be made of another material inert with respect to oil, for example, fluoroplastic. If the coefficients of thermal expansion of the carrier pipe of the insulator and the tube for the cable are different, the latter can be installed with an excess in length.
  • optical current transformer which is a fiber sensitive element covering the current bus in the protective casing in the form of a loop of magnetically sensitive optical fiber, made it possible to ensure the reliability and accuracy of measurements.
  • the optical current transformer does not contain a saturable core, and the range of the measured phase difference can be several orders of magnitude.
  • a magnetically sensitive optical fiber can be made in the form of a fiber with a built-in spiral structure of linear birefringence axes and a radiation reflector at the end, additionally providing the possibility of measuring with high accuracy and reliability of electric current in a wide range of operating conditions and the use of sensitive contours of reduced dimensions
  • the principle of measuring the current of a combined current and voltage transformer is based on two physical laws: the law of the total current and the Faraday effect.
  • the device measures the current as follows.
  • a sensitive current element magnetically sensitive optical fiber
  • two light waves are generated in the forward and reverse directions, formed at the input of the fiber circuit.
  • the magnetic field of the measured electric current induces a phase shift between the light waves in the fiber circuit, which is directly proportional to the magnitude of the current (Faraday effect).
  • the information signal from the circuit through the connecting fiber-optic communication line enters the base unit (electron-optical unit).
  • Up to three multi-turn sensitive circuits (measuring and protective) can be in the casing of the fiber sensor.
  • the fiber-optic communication line runs in a tube of insulating material inside the high-voltage column, which allows you to separate the volume filled with oil (in which the capacitive divider is located) and the transmission channel of the fiber-optic communication line.
  • the base unit measures the phase shift, converts it to a current value, and outputs the measured current value in the form of digital data packets according to the IEC standard 61850-9-2 to secondary devices.
  • the principle of voltage measurement is based on the large-scale conversion (division) of AC voltage using a capacitive divider and its subsequent digitization of the ADC. Voltage measurement is carried out using a measuring and conversion module placed in the base of the tubular insulator of the capacitive divider and connected to its midpoint.
  • the measuring and conversion module is connected by a duplex fiber cable to the base unit, contains an ADC, an FPGA for controlling a laser, and an optical transmitter based on a semiconductor laser.
  • the device measures the voltage as follows.
  • a high-voltage capacitive divider connected to an electric line reduces the measured voltage to a value compatible with the input of the analog-to-digital converter installed in the measuring-conversion module.
  • the digital signal from the ADC output is fed to the optical transmitter and, then, via the fiber communication line to the electron-optical voltage measuring unit, which, similarly to the one described above, provides the measured voltage value in the form of digital data packets according to IEC 61850-9-2 to the secondary devices.
  • the digital unit generating the output data packets is common to current and voltage.
  • Signal transmission from the sensitive element to the base unit can be carried out via a fiber optic cable at a distance of 20 to 1200 m, which allows you to place the electron-optical unit in a room with the required operating conditions.
  • the capacitors of the divider are located in an oil bath through which a tube of insulating material passes, inside which the output optical cable of the fiber sensing element passes.
  • the ends of the tube are hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage column and separate the transport channel for the fiber from the volume filled with oil.
  • the base unit of the combined transformer can have a built-in self-diagnosis system that allows real-time assessment of the state of the main elements that affect the metrological characteristics. Diagnostic results are displayed on the display screen of the device, indicator lights and serial port for remote online monitoring of diagnostic data.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

The technical solution relates to electrical engineering and can be used for commercial electrical power metering in high-voltage networks, for measuring electrical power quality, and in protection systems. A combined current and voltage transformer comprises a high-voltage tubular supporting insulator having a voltage divider, a current transformer, a measurement and conversion module, and a fiber optic communication link to a base unit, wherein the current transformer is a fiber loop made of an magnetosensitive optical fiber that encircles a current busbar, and the fiber optic communication link is laid in a pipe that is disposed inside of the high-voltage tubular supporting insulator, the end faces of said pipe being hermetically embedded in the upper and lower flanges of the high-voltage tubular supporting insulator. The technical result consists in increasing the reliability of a combined current and voltage transformer and increasing the precision of measurements.

Description

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫЙ  COMBINED CURRENT AND VOLTAGE TRANSFORMER
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY
Техническое решение относится к электротехнике и может найти применение для коммерческого учета электроэнергии в высоковольтных сетях, измерения качества электроэнергии и системах защиты. The technical solution relates to electrical engineering and can be used for commercial metering of electricity in high-voltage networks, measuring the quality of electricity and protection systems.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND
Известны комбинированные, то есть конструктивно реализованные на основе одной высоковольтной колонны, трансформаторы тока и напряжения (ТТН) на основе традиционных (индуктивных) трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Такие трансформаторы (EJOF, EJGF) выпускаются многими фирмами, например, фирмами Pfiffner (http://www.pfiffner-group.com) Копсаг (www.koncar-mjt.hr), АВВ и др. Недостатком таких комбинированных трансформаторов являются: Known combined, that is, structurally implemented on the basis of a single high-voltage column, current and voltage transformers (CTN) based on traditional (inductive) current transformers and voltage transformers. Such transformers (EJOF, EJGF) are produced by many companies, for example, Pfiffner (http://www.pfiffner-group.com) Kopsag (www.koncar-mjt.hr), ABB, etc. The disadvantage of such combined transformers is:
• низкая точность измерений в режиме переходных процессов, связанная с присущим индуктивным трансформаторам явлением феррорезонанса, намагничиванием и насыщением сердечника  • low accuracy of measurements in transient conditions associated with the inherent phenomenon of inductive transformers ferroresonance phenomenon, magnetization and core saturation
• малый динамический и частотный диапазон индуктивных трансформаторов  • small dynamic and frequency range of inductive transformers
• необходимость гальванической развязки трансформатора тока, находящегося под высоким потенциалом от регистрирующих устройств, находящихся под нулевым потенциалом  • the need for galvanic isolation of a current transformer at high potential from recording devices at zero potential
• большой объем изоляционного масла, что усложняет саму конструкцию трансформатора (требуются расширительные сильфоны большого объема) и значительно увеличивает вес трансформатора (550-660 кг).  • a large volume of insulating oil, which complicates the design of the transformer (large expansion bellows are required) and significantly increases the weight of the transformer (550-660 kg).
Известно также комбинированное однофазное устройство для измерения тока, напряжения и обеспечения ВЧ-связи (RU 2337480 С1 , опубл. 27.10.2008г.)  Also known is a combined single-phase device for measuring current, voltage and providing RF communications (RU 2337480 C1, publ. 10/27/2008)
Данное устройство относится к электротехнике и может быть использовано в измерительных трансформаторах тока, напряжения и конденсаторах ВЧ-связи высоких и сверхвысоких напряжений. Комбинированное устройство для измерения тока, напряжения и обеспечения ВЧ-связи включает высоковольтный конденсатор, высоковольтный блок с трансформатором тока и передатчиком, находящийся под потенциалом высокого напряжения, базовый блок с приемником, находящийся под нулевым потенциалом, при этом передатчик высоковольтного блока соединен с приемником базового блока через высоковольтный конденсатор и гальванически соединен с одним из высоковольтных вводов. Конденсаторный трансформатор напряжения имеет в своем составе высоковольтный конденсатор, высоковольтный блок с трансформатором тока и передатчиком, полностью находящимся под потенциалом высокого напряжения, и базовый блок с приемником, находящийся под нулевым потенциалом, при этом передатчик связан с приемником с помощью высоковольтного конденсатора, который служит как для ВЧ связи, так и для передачи сигнала о величине измеряемого тока. Величина тока измеряется на стороне высокого напряжения трансформатором тока, измеренное значение тока преобразуется передатчиком, расположенным на стороне высокого напряжения в кодированный сигнал. Приемник преобразует полученный кодированный сигнал в величину тока. Для исключения влияния трансформаторов тока, напряжения и ВЧ связи друг на друга, каждое устройство использует высоковольтный конденсатор в своем частотном диапазоне. Высоковольтный трансформатор напряжения работает на частоте промышленной сети 50 герц, для ВЧ-связи используется диапазон 50-600 килогерц, а измеритель тока работает в мегагерцовом диапазоне. Таким образом, работая на разных частотах, три устройства могут использовать один высоковольтный конденсатор, при этом, не создавая помех друг другу. Для питания передатчика используется автономный источник питания либо передается необходимая для работы мощность с базового блока высокочастотным сигналом по высоковольтному конденсатору. This device relates to electrical engineering and can be used in measuring transformers of current, voltage and high-frequency and ultra-high voltage RF capacitors. A combined device for measuring current, voltage, and providing RF communications includes a high voltage capacitor, a high voltage unit with a current transformer and a transmitter under high voltage potential, a base unit with a receiver at zero potential, and the high voltage unit transmitter is connected to the receiver of the base unit through a high voltage capacitor and is galvanically connected to one of the high voltage bushings. A capacitor voltage transformer incorporates a high voltage capacitor, a high voltage unit with a current transformer and a transmitter that is completely at high voltage potential, and a base unit with a receiver that is at zero potential, while the transmitter is connected to the receiver using a high voltage capacitor, which serves as for HF communication, and for transmitting a signal about the magnitude of the measured current. The current value is measured on the high voltage side by a current transformer, the measured current value is converted by a transmitter located on the high voltage side into an encoded signal. The receiver converts the received encoded signal into a current value. To exclude the influence of current, voltage, and RF transformers on each other, each device uses a high-voltage capacitor in its frequency range. A high voltage voltage transformer operates at an industrial network frequency of 50 hertz, a range of 50-600 kilohertz is used for RF communications, and a current meter operates in the megahertz range. Thus, working at different frequencies, the three devices can use one high-voltage capacitor, while not interfering with each other. An independent power source is used to power the transmitter or the necessary power is transmitted from the base unit with a high-frequency signal via a high-voltage capacitor.
Недостатком этого технического решения также является применение индуктивных трансформаторов для измерения тока, которым присущи недостатки, о которых сказано выше. Кроме этого, недостатком данного устройства является система питания передатчика, которая при использовании автономного источника питания имеет ограниченный по времени ресурс, а при питании высокочастотным сигналом потребует мощного генератора ВЧ сигнала.  The disadvantage of this technical solution is the use of inductive transformers for measuring current, which are characterized by the disadvantages mentioned above. In addition, the disadvantage of this device is the transmitter power system, which, when using an autonomous power source, has a limited time resource, and when powered by a high-frequency signal, it will require a powerful RF signal generator.
Наиболее близким к заявляемому устройству является комбинированный волоконно-оптический трансформатор напряжения и тока (RU 145064 U1 , опубл. 10.09.2014г.)  Closest to the claimed device is a combined fiber-optic voltage and current transformer (RU 145064 U1, publ. 09/10/2014)
Этот комбинированный волоконно-оптический трансформатор напряжения и тока, содержит полую изоляционную колонну с делителем напряжения, размещенный на ее высоковольтном торце измерительно-преобразовательный модуль, подключенный к датчику измеряемого тока и базовый модуль обработки сигнала находящийся под нулевым потенциалом. Измерительно-преобразовательный модуль связан двухпроводной волоконно-оптической линией с базовым модулем. Базовый модуль снабжен фотоприемником данных, оптическим передатчиком мощности и сетевым передатчиком цифровых данных, а измерительно-преобразовательный модуль - оптическим передатчиком данных и фотовольтаическим приемником мощности. Измерительно-преобразовательный модуль и базовый модуль связаны двухканальной волоконно-оптической линией, по одному каналу которой передается оптическая мощность необходимая для питания измерительно-преобразовательного модуля, а по другому каналу передаются данные об измеренном токе и напряжении. This combined fiber-optic voltage and current transformer contains a hollow insulating column with a voltage divider, a measuring and conversion module located at its high-voltage end connected to the sensor of the measured current and the basic signal processing module under zero potential. The measuring and conversion module is connected by a two-wire fiber optic line to the base module. The basic module is equipped with a data photodetector, an optical power transmitter and a network digital data transmitter, and the measurement and conversion module is equipped with an optical data transmitter and a photovoltaic power receiver. The measuring and converting module and the base module are connected by a two-channel fiber-optic line, through one channel of which the optical power necessary for powering the measuring and converting module is transmitted, and data on the measured current and voltage are transmitted through the other channel.
При этом в базовый модуль введен источник синхроимпульсов, выход которого подключен к оптическому передатчику мощности и входу синхронизации сетевого передатчика данных, а измерительно-преобразовательный модуль содержит формирователь синхроимпульсов, вход которого соединен с фотовольтаическим приемником мощности, а выход - с пусковым входом измерительно- преобразовательного модуля.  At the same time, a clock source is introduced into the base module, the output of which is connected to the optical power transmitter and the synchronization input of the network data transmitter, and the measurement and conversion module contains a clock generator, whose input is connected to the photovoltaic power receiver, and the output - to the start input of the measurement and conversion module .
Полезная модель имеет уточняющие развития, которые состоят в том, что: The utility model has a refinement development, which consists in the fact that:
- датчик измеряемого тока может быть выполнен в виде трансформатора тока с резисторной нагрузкой, токового шунта или пояса Роговского, нагруженного на интегрирующую цепь; - the sensor of the measured current can be made in the form of a current transformer with a resistor load, a current shunt or Rogowski belt, loaded on an integrating circuit;
- делитель может быть напряжения выполнен резистивным или емкостным; - the divider may be voltage resistive or capacitive;
- к измерительно-преобразовательному модулю, может быть подключен дополнительный датчик измеряемого тока; - to the measuring-conversion module, an additional sensor of the measured current can be connected;
Недостатком этого комбинированного трансформатора тока/напряжения является необходимость размещения электронных устройств под высоким потенциалом и обеспечения их питания способами, обеспечивающими высоковольтную гальваническую развязку. Другим недостатком этого ТТН является то, что дуплексная волоконно-оптическая линия связи проходит внутри высоковольтной колонны, которая заполнена изоляционным маслом. Это требует достаточно сложных методов герметизации внутреннего объема колонны, которые не всегда эффективны при работе ТТН в широком диапазоне температур. Следствием указанных недостатков является низкая точность измерения и надежность устройства.  The disadvantage of this combined current / voltage transformer is the need to place electronic devices at high potential and provide them with power in ways that provide high-voltage galvanic isolation. Another disadvantage of this CTN is that the duplex fiber optic communication line runs inside a high voltage column that is filled with insulating oil. This requires quite sophisticated methods of sealing the internal volume of the column, which are not always effective when operating the CTN in a wide temperature range. The consequence of these disadvantages is the low accuracy of the measurement and the reliability of the device.
Заявленный трансформатор тока и напряжения позволяет в существенной мере преодолеть указанные недостатки, присущие как имеющимся аналогам, так и прототипу.  The claimed current and voltage transformer can significantly overcome these disadvantages inherent in both existing analogues and the prototype.
РАСКРЫТИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ DISCLOSURE OF TECHNICAL SOLUTION
Технической задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание надежного и точного трансформатора тока и напряжения. The technical problem that the proposed technical solution solves is the creation of a reliable and accurate current and voltage transformer.
Технический результат заключается в повышении надежности комбинированного трансформатора тока и напряжения с повышением точности измерений.  The technical result consists in increasing the reliability of the combined current and voltage transformer with increasing measurement accuracy.
Технический результат достигается за счет того, что комбинированный трансформатор тока и напряжения содержит высоковольтный опорный трубчатый изолятор с делителем напряжения, датчик измеряемого тока (трансформатор тока), измерительно-преобразовательный модуль, волоконно-оптическую линию связи с базовым блоком, при этом трансформатор тока выполнен в виде волоконного контура из магниточувствительного оптического волокна, охватывающего токовую шину, а волоконно-оптическая линия связи проложена в трубке, расположенной внутри высоковольтного опорного трубчатого изолятора, торцы которой герметично заделаны в верхний и нижний фланцы высоковольтного опорного трубчатого изолятора. The technical result is achieved due to the fact that the combined current and voltage transformer contains a high voltage support tubular insulator with a voltage divider, a measured current sensor (current transformer), measuring and converting module, fiber-optic communication line with the base unit, while the current transformer is made in the form of a fiber circuit of a magnetically sensitive optical fiber covering the current bus, and the fiber-optic communication line is laid in a tube located inside the high-voltage supporting tubular insulator, the ends which is hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage supporting tubular insulator.
Магниточувствительное оптическое волокно выполнено в виде световода со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце.  The magnetically sensitive optical fiber is made in the form of a fiber with a built-in spiral structure of the axes of linear birefringence and a radiation reflector at the end.
Трубка выполнена из изолирующего материала, инертного по отношению к маслу.  The tube is made of an insulating material inert to oil.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг.1 - Общий вид комбинированного трансформатора тока/напряжения; Figure 1 - General view of a combined current / voltage transformer;
Фиг.2 - Вид в разрезе комбинированного трансформатора тока/напряжения.  Figure 2 is a sectional view of a combined current / voltage transformer.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ IMPLEMENTATION OF THE TECHNICAL SOLUTION
Комбинированный трансформатор тока и напряжения содержит высоковольтный опорный трубчатый изолятор 1, на верхнем фланце которого установлен датчик измеряемого тока (трансформатор тока), представляющий собой охватывающий токовую шину 4 волоконный чувствительный элемент 3 в защитном кожухе в виде контура из магниточувствительного оптического волокна, емкостной (или резистивный) делитель напряжения 2, расположенный внутри высоковольтного опорного трубчатого изолятора 1 , волоконно-оптическую линию связи 6 с базовым блоком, проходящую через трубку 5 из изолирующего материала, расположенную внутри высоковольтного опорного трубчатого изолятора 1 , торцы которой герметично заделаны в верхний и нижний фланцы высоковольтного опорного трубчатого изолятора 1 , основание (подставку) 7 для размещения измерительно-преобразовательного модуля 8. The combined current and voltage transformer contains a high voltage support tubular insulator 1, on the upper flange of which a measured current sensor (current transformer) is installed, which is a fiber sensing element 3 covering the current bus 4 in a protective casing in the form of a loop of a magnetically sensitive optical fiber, capacitive (or resistive ) a voltage divider 2, located inside the high-voltage supporting tubular insulator 1, a fiber-optic communication line 6 with the base unit, passing through without a tube 5 of insulating material located inside the high-voltage supporting tubular insulator 1, the ends of which are hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage supporting tubular insulator 1, the base (stand) 7 for accommodating the measuring-transducer module 8.
Применение трубки 5 из изолирующего материала, расположенной внутри высоковольтного опорного трубчатого изолятора, проходящей через объем, заполненный маслом, торцы которой герметично заделаны в верхний и нижний фланцы высоковольтного опорного трубчатого изолятора 1 , обеспечивает долговременную защиту волоконного кабеля, проходящего в этой трубке 5, от разрушительного воздействия масла, в котором находится емкостной делитель, а также решает проблему герметичной изоляции ввода/вывода кабеля с выхода магниточувствительного волоконного контура от внутреннего объема высоковольтного изолятора, заполненного изоляционным маслом, упрощая герметизацию емкостного делителя, повышая надежность работы с сохранением высокой точности измерения комбинированного трансформатора. Кроме того, наличие трубки уменьшает требуемый объем изоляционного масла. The use of a tube 5 of insulating material located inside a high-voltage supporting tubular insulator passing through a volume filled with oil, the ends of which are hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage supporting tubular insulator 1, provides long-term protection of the fiber cable passing in this tube 5 from destructive exposure to the oil in which the capacitive divider is located, and also solves the problem of tight insulation of the cable input / output from the output of the magnetically sensitive fiber a contour of the internal volume of the high-voltage insulator filled with insulating oil, simplifying the sealing of the capacitive divider, increasing reliability of operation while maintaining high accuracy of measurement of the combined transformer. In addition, the presence of a tube reduces the required volume of insulating oil.
Трубка 5 для кабеля, проходящая внутри трубчатого изолятора может быть выполнена из того же материала, что и несущая труба изолятора, например, стеклопластика. Трубка может быть выполнена и из другого материала инертного по отношению к маслу, например, фторопласта. При различии коэффициентов термического расширения несущей трубы изолятора и трубки для кабеля, последняя может устанавливаться с избытком по длине.  The tube 5 for the cable passing inside the tubular insulator can be made of the same material as the carrier tube of the insulator, for example, fiberglass. The tube can also be made of another material inert with respect to oil, for example, fluoroplastic. If the coefficients of thermal expansion of the carrier pipe of the insulator and the tube for the cable are different, the latter can be installed with an excess in length.
Применение оптического трансформатора тока, представляющего собой охватывающий токовую шину волоконный чувствительный элемент в защитном кожухе в виде контура из магниточувствительного оптического волокна, позволило обеспечить надежность и точность измерений. Оптический трансформатор тока не содержит насыщающегося сердечника, а диапазон измеряемой разности фаз может составлять несколько порядков.  The use of an optical current transformer, which is a fiber sensitive element covering the current bus in the protective casing in the form of a loop of magnetically sensitive optical fiber, made it possible to ensure the reliability and accuracy of measurements. The optical current transformer does not contain a saturable core, and the range of the measured phase difference can be several orders of magnitude.
Магниточувствительное оптическое волокно может быть выполнено в виде световода со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце, дополнительно обеспечивая возможность измерения с высокой точностью и надежностью электрического тока в широком диапазоне эксплуатационных условий и использования чувствительных контуров уменьшенных размеров  A magnetically sensitive optical fiber can be made in the form of a fiber with a built-in spiral structure of linear birefringence axes and a radiation reflector at the end, additionally providing the possibility of measuring with high accuracy and reliability of electric current in a wide range of operating conditions and the use of sensitive contours of reduced dimensions
Описание работы комбинированного трансформатора тока и напряжения.  Description of the combined current and voltage transformer.
Принцип измерения тока комбинированного трансформатора тока и напряжения основан на двух физических законах: законе полного тока и эффекте Фарадея. Устройство измеряет ток следующим образом. В волоконном контуре чувствительного токового элемента (магниточувствительное оптоволокно) циркулируют в прямом и обратном направлении две световые волны, сформированные на входе волоконного контура. Магнитным полем измеряемого электрического тока, индуцируется сдвиг фаз между световыми волнами в волоконном контуре, прямо пропорциональный величине тока (эффект Фарадея). Информационный сигнал из контура через соединительную волоконно-оптическую линию связи поступает в базовый блок (электронно-оптический блок). В кожухе волоконного чувствительного элемента может находиться до трех многовитковых чувствительных контуров (измерительных и защитных). Волоконно- оптическая линия связи проходит в трубке из изолирующего материала внутри высоковольтной колонны, что позволяет разделить объем, заполненный маслом (в котором расположен емкостной делитель) и канал прохождения волоконно-оптической линии связи. Базовый блок измеряет фазовый сдвиг, преобразует его в величину тока, и выдает измеренное значение тока в виде цифровых пакетов данных по стандарту IEC 61850-9-2 на вторичные устройства. The principle of measuring the current of a combined current and voltage transformer is based on two physical laws: the law of the total current and the Faraday effect. The device measures the current as follows. In the fiber circuit of a sensitive current element (magnetically sensitive optical fiber), two light waves are generated in the forward and reverse directions, formed at the input of the fiber circuit. The magnetic field of the measured electric current induces a phase shift between the light waves in the fiber circuit, which is directly proportional to the magnitude of the current (Faraday effect). The information signal from the circuit through the connecting fiber-optic communication line enters the base unit (electron-optical unit). Up to three multi-turn sensitive circuits (measuring and protective) can be in the casing of the fiber sensor. The fiber-optic communication line runs in a tube of insulating material inside the high-voltage column, which allows you to separate the volume filled with oil (in which the capacitive divider is located) and the transmission channel of the fiber-optic communication line. The base unit measures the phase shift, converts it to a current value, and outputs the measured current value in the form of digital data packets according to the IEC standard 61850-9-2 to secondary devices.
Принцип измерения напряжения основан на масштабном преобразовании (делении) напряжения переменного тока при помощи емкостного делителя и последующем его оцифровке АЦП. Измерение напряжения производится при помощи измерительно-преобразовательного модуля, помещаемого в основание трубчатого изолятора емкостного делителя и подключаемого к его средней точке. Измерительно- преобразовательный модуль связан дуплексным волоконным кабелем с базовым блоком, содержит АЦП, ПЛИС для управления лазером и оптический передатчик на основе полупроводникового лазера. Устройство измеряет напряжение следующим образом. Высоковольтный емкостной делитель, подключенный к электрической линии, уменьшает измеряемое напряжение до величины совместимой с входом аналого- цифрового преобразователя установленного в измерительно-преобразовательном модуле. Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на оптический передатчик и, далее, по волоконной линии связи в электронно-оптический блок измерения напряжения, который аналогично описанному выше выдает измеренное значение напряжения в виде цифровых пакетов данных по стандарту IEC 61850-9-2 на вторичные устройства. Цифровой блок формирующий выходные пакеты данных является общим для тока и напряжения.  The principle of voltage measurement is based on the large-scale conversion (division) of AC voltage using a capacitive divider and its subsequent digitization of the ADC. Voltage measurement is carried out using a measuring and conversion module placed in the base of the tubular insulator of the capacitive divider and connected to its midpoint. The measuring and conversion module is connected by a duplex fiber cable to the base unit, contains an ADC, an FPGA for controlling a laser, and an optical transmitter based on a semiconductor laser. The device measures the voltage as follows. A high-voltage capacitive divider connected to an electric line reduces the measured voltage to a value compatible with the input of the analog-to-digital converter installed in the measuring-conversion module. The digital signal from the ADC output is fed to the optical transmitter and, then, via the fiber communication line to the electron-optical voltage measuring unit, which, similarly to the one described above, provides the measured voltage value in the form of digital data packets according to IEC 61850-9-2 to the secondary devices. The digital unit generating the output data packets is common to current and voltage.
Передача сигнала от чувствительного элемента до базового блока может осуществляться по оптоволоконному кабелю на расстояние от 20 до 1200 м, что позволяет разместить электронно-оптический блок в помещении с требуемыми условиями эксплуатации.  Signal transmission from the sensitive element to the base unit can be carried out via a fiber optic cable at a distance of 20 to 1200 m, which allows you to place the electron-optical unit in a room with the required operating conditions.
Для увеличения электрической прочности емкостного делителя конденсаторы делителя находятся в масляной ванне, через которую проходит трубка из изолирующего материала, внутри которой проходит выходной оптический кабель волоконного чувствительного элемента. Торцы трубки герметично заделаны в верхний и нижний фланцы высоковольтной колонны и отделяют транспортный канал для волокна от объема, заполненного маслом.  To increase the electric strength of the capacitive divider, the capacitors of the divider are located in an oil bath through which a tube of insulating material passes, inside which the output optical cable of the fiber sensing element passes. The ends of the tube are hermetically sealed in the upper and lower flanges of the high-voltage column and separate the transport channel for the fiber from the volume filled with oil.
Базовый блок комбинированного трансформатора может иметь встроенную систему самодиагностики, позволяющую в реальном времени оценивать состояние основных элементов, влияющих на метрологические характеристики. Результаты диагностики выводятся на экран дисплея прибора, световые индикаторы и последовательный порт для дистанционного онлайн-мониторинга данных диагностики.  The base unit of the combined transformer can have a built-in self-diagnosis system that allows real-time assessment of the state of the main elements that affect the metrological characteristics. Diagnostic results are displayed on the display screen of the device, indicator lights and serial port for remote online monitoring of diagnostic data.
За счет объединения в одном устройстве волоконно-оптического трансформатора тока и емкостного делителя напряжения, выполнения оптического трансформатора тока на эффекте Фарадея с волоконным контуром, охватывающим проводник с измеряемым током и тем самым отказа от металлических обмоток классических трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, на которые действуют электродинамические силы в процессе короткого замыкания, что может приводить к разрушению конструкций, за счет расположения волоконно-оптической линии связи в герметично выполненной изолирующей трубке внутри высоковольтного изолятора, которая разделяет объем занятый маслом, в котором находится емкостной делитель, и канал прохождения волоконного тракта, обеспечивается возможность измерения электрического тока бесконтактным способом, повышает точность измерения, обеспечивается возможность надежной герметизации объема, в котором находится залитый маслом емкостной (или резистивный) делитель, что повышает точность измерений и надежность работы трансформатора тока и напряжения в целом, а также повышает безопасность обслуживания. By combining in one device a fiber-optic current transformer and a capacitive voltage divider, the implementation of an optical current transformer based on the Faraday effect with a fiber circuit covering a conductor with a measured current and thereby eliminating the metal windings of classical current transformers and voltage transformers, onto which electrodynamic forces act in the process of short circuit, which can lead to the destruction of structures due to the location of the fiber-optic communication line in a hermetically sealed insulating tube inside the high-voltage insulator, which separates the volume occupied by the oil in which the capacitive divider is located, and the passage of the fiber path, it is possible to measure electric current in a non-contact way, increases the accuracy of measurement, provides the possibility of reliable sealing of the volume, in which contains an oil-filled capacitive (or resistive) divider, which increases the accuracy of measurements and the reliability of the current transformer and voltage in general, and also increases the safety of maintenance.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Комбинированный трансформатор тока и напряжения, содержащий высоковольтный опорный трубчатый изолятор с делителем напряжения, трансформатор тока, измерительно- преобразовательный модуль, волоконно-оптическую линию связи с базовым блоком, отличающийся тем, что трансформатор тока выполнен в виде волоконного контура из магниточувствительного оптического волокна, охватывающего токовую шину, а волоконно- оптическая линия связи проложена в трубке, расположенной внутри высоковольтного опорного трубчатого изолятора, торцы которой герметично заделаны в верхний и нижний фланцы высоковольтного опорного трубчатого изолятора. 1. A combined current and voltage transformer containing a high voltage support tubular insulator with a voltage divider, a current transformer, a measuring and converting module, a fiber optic communication line with a base unit, characterized in that the current transformer is made in the form of a fiber circuit from a magnetically sensitive optical fiber, covering the current bus, and the fiber-optic communication line is laid in a tube located inside the high-voltage supporting tubular insulator, the ends of which are adic embedded in the upper and lower flanges of the tubular support high voltage insulator.
2. Комбинированный трансформатор тока и напряжения по п.1 отличающийся тем, что магниточувствительное оптическое волокно выполнено в виде световода со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце.  2. The combined current and voltage transformer according to claim 1, characterized in that the magnetically sensitive optical fiber is made in the form of a fiber with a built-in spiral structure of linear birefringence axes and a radiation reflector at the end.
3. Комбинированный трансформатор тока и напряжения по п.1 отличающийся тем, что трубка выполнена из изолирующего материала инертного по отношению к маслу.  3. The combined current and voltage transformer according to claim 1, characterized in that the tube is made of an insulating material inert with respect to oil.
PCT/RU2018/000102 2018-02-16 2018-02-21 Combined current and voltage transformer WO2019160437A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105971 2018-02-16
RU2018105971 2018-02-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019160437A1 true WO2019160437A1 (en) 2019-08-22

Family

ID=67619999

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000102 WO2019160437A1 (en) 2018-02-16 2018-02-21 Combined current and voltage transformer

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2019160437A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2297063C2 (en) * 2004-10-19 2007-04-10 Александр Григорьевич Арсон Current transformer integrated with capacitor of capacitive voltage divider high-voltage side
EP1624312B1 (en) * 2004-08-06 2008-03-26 Passoni & Villa Fabbrica Isolatori e Condensatori S.p.A. Electronic measurement transformer for combined current and voltage measurements.
WO2013098226A1 (en) * 2011-12-31 2013-07-04 Siemens Aktiengesellschaft Combined transformer for power system
RU162955U1 (en) * 2015-04-24 2016-07-10 Акционерное общество "Профотек" (АО "Профотек") FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1624312B1 (en) * 2004-08-06 2008-03-26 Passoni & Villa Fabbrica Isolatori e Condensatori S.p.A. Electronic measurement transformer for combined current and voltage measurements.
RU2297063C2 (en) * 2004-10-19 2007-04-10 Александр Григорьевич Арсон Current transformer integrated with capacitor of capacitive voltage divider high-voltage side
WO2013098226A1 (en) * 2011-12-31 2013-07-04 Siemens Aktiengesellschaft Combined transformer for power system
RU162955U1 (en) * 2015-04-24 2016-07-10 Акционерное общество "Профотек" (АО "Профотек") FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102159420B1 (en) Optical sensor
RU2353994C2 (en) Combined electronic transformer with organic insulation for output of optical signals
JPS60205375A (en) Metering device for measuring parameter of high-voltage alternating current electric energy flowing through conductor
JP4987055B2 (en) Compensation for a simple fiber optic Faraday effect sensor
KR101972935B1 (en) Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current
Rahmatian et al. Applications of high-voltage fiber optic current sensors
CN108918940A (en) Full optical-fiber current mutual induction system and method with temperature-compensating
US6437554B1 (en) High current measurement system incorporating an air-core transducer
JPH10185961A (en) Light current transformer
Rahmatian et al. Applications of optical current and voltage sensors in high-voltage systems
RU182715U1 (en) COMBINED CURRENT AND VOLTAGE TRANSFORMER
RU119120U1 (en) DEVICE FOR VOLTAGE MEASUREMENT IN A HIGH VOLTAGE CIRCUIT WITH REMOTE INFORMATION TRANSMISSION
EP2807664B1 (en) Combined transformer for power system
Djokic et al. An optically isolated hybrid two-stage current transformer for measurements at high voltage
EP1624312B1 (en) Electronic measurement transformer for combined current and voltage measurements.
WO2019160437A1 (en) Combined current and voltage transformer
RU2648020C1 (en) Device for measuring ac voltage and voltage with galvanic distribution
RU121594U1 (en) DEVICE FOR VOLTAGE MEASUREMENT IN A HIGH VOLTAGE CIRCUIT WITH REMOTE INFORMATION TRANSMISSION
RU2628306C1 (en) Differential current measurement device
CN111175557A (en) High-precision optical fiber current transformer
RU203226U1 (en) AUTOMATED POINT OF COMMERCIAL METERING OF ELECTRICITY 6 (10) KV
Zavoda et al. Sensors for smart grids
GB2205963A (en) Measuring current
Schon et al. High alternating voltages and currents
RU130132U1 (en) DEVICE FOR MEASURING CURRENTS, VOLTAGES AND TRANSMISSION OF DATA BY DIGITAL COMMUNICATION CHANNEL

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18906264

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 15.01.2021)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18906264

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1