RU150176U1

RU150176U1 - HIGH VOLTAGE DIGITAL CURRENT MEASUREMENT DEVICE

Info

Publication number: RU150176U1
Application number: RU2014136961/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Лебедев; Андрей Анатольевич Яблоков; Дмитрий Антониевич Лебедев; Алексей Владимирович Наумов
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-02-10

Abstract

Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока, содержащее питающий электромагнитный трансформатор и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током; цилиндрический шунт с внутренней полостью, включенный в рассечку токопровода; помещенные внутрь шунта преобразователь ток-напряжение, стабилизатор напряжения, блок обработки сигналов с аналого-цифровым преобразователем и первый оптический приемопередатчик; оптический канал; второй оптический приемопередатчик, маршрутизатор и блок питания, расположенные на низковольтной стороне; при этом питающий электромагнитный трансформатор подключен к преобразователю ток-напряжение, который подключен к стабилизатору напряжения, подключенному к блоку обработки сигналов и к первому оптическому приемопередатчику, потенциальные электроды шунта и пояс Роговского подключены к блоку обработки сигналов, который подключен к первому оптическому приемопередатчику через оптический канал, соединенному со вторым оптическим приемопередатчиком, подключенным к маршрутизатору, блок питания подключен ко второму оптическому приемопередатчику и маршрутизатору, отличающееся тем, что дополнительно содержит магнитотранзисторный преобразователь и измерительный электромагнитный трансформатор тока, охватывающие токопровод с измеряемым током, и блок синхронизации с системой точного времени, помещенный внутрь шунта, при этом магнитотранзисторный преобразователь, измерительный электромагнитный трансформатор тока и выход блока синхронизации с системой точного времени подключены к блоку обработки сигналов, а вход блока синхронизации с системой точного вр�A high-voltage digital device for measuring current, comprising a supplying electromagnetic transformer and a Rogowski belt, covering a current conducting conductor with a measured current; a cylindrical shunt with an internal cavity included in the dissection of the current lead; a current-voltage converter, a voltage stabilizer, a signal processing unit with an analog-to-digital converter, and a first optical transceiver placed inside the shunt; optical channel; a second optical transceiver, router, and power supply located on the low voltage side; wherein the supply electromagnetic transformer is connected to a current-voltage converter, which is connected to a voltage stabilizer connected to the signal processing unit and to the first optical transceiver, potential shunt electrodes and Rogowski belt are connected to the signal processing unit, which is connected to the first optical transceiver through an optical channel connected to the second optical transceiver connected to the router, the power supply is connected to the second optical transceiver a sensor and a router, characterized in that it further comprises a magnetotransistor converter and a measuring electromagnetic current transformer, covering the current path with a measured current, and a synchronization unit with an accurate time system, placed inside the shunt, while a magnetotransistor converter, a measuring electromagnetic current transformer and the output of the synchronization unit with the exact time system is connected to the signal processing unit, and the input of the synchronization unit with the exact time system

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к цифровым измерительным устройствам постоянного и переменного токов.The utility model relates to measuring equipment, in particular to digital measuring devices of direct and alternating currents.

Известен датчик тока (Патент на изобретение РФ №2377578, МПК G01R 19/00, 2008 г.), содержащий резистивиый элемент, соединенный с усилителем, и блок питания, между резистивным элементом и выходом датчика установлена трансформаторная гальваническая развязка, включающая в себя аналого-цифровой преобразователь, разделяющий трансформатор и цифроаналоговый преобразователь, при этом выход усилителя соединен с аналого-цифровым преобразователем, выход аналого-цифрового преобразователя - с первичной обмоткой разделяющего трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с цифроаналоговым преобразователем, а усилитель и аналого-цифровой преобразователь связаны с блоком питания через трансформатор питания.Known current sensor (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2377578, IPC G01R 19/00, 2008), containing a resistive element connected to an amplifier, and a power supply, a transformer galvanic isolation is installed between the resistive element and the output of the sensor, including an analog- a digital converter separating the transformer and the digital-to-analog converter, wherein the output of the amplifier is connected to an analog-to-digital converter, the output of the analog-to-digital converter is connected to the primary winding of the separating transformer, the secondary winding and which is connected to a digital to analog converter and an amplifier, and an analog-digital converter associated with the power supply through a power transformer.

Недостатками указанного датчика тока являются передача измерительного сигнала в цифровой форме через разделяющий трансформатор, отсутствие устройств экранирования электронной аппаратуры и как следствие ее чувствительность к электрическим и магнитным полям токопровода с измеряемым током.The disadvantages of this current sensor are the transmission of the measuring signal in digital form through an isolating transformer, the absence of electronic equipment shielding devices and, as a consequence, its sensitivity to electric and magnetic fields of the current path with the measured current.

Известно высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока (Патент на изобретение РФ №2346285, G01R 19/00, 2009 г), содержащее датчик тока, аналого-цифровой преобразователь и передатчик, оно помещено внутрь токопровода с измеряемым током, находится под потенциалом высокого напряжения в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, а передача информации о величине измеряемого тока производится в кодированном цифровом виде по оптическому каналу.A high-voltage optoelectronic device for measuring current is known (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2346285, G01R 19/00, 2009), containing a current sensor, an analog-to-digital converter and a transmitter, it is placed inside the current path with a measured current, is under a high voltage potential in the zone the absence of magnetic and electric fields, and information about the magnitude of the measured current is transmitted in digitally encoded form via an optical channel.

Недостатком указанного высоковольтного оптоэлектронного устройства является то, что измерение осуществляется посредством определения напряжения на шунте, включенном параллельно основному токопроводу, изменение перераспределения токов между токопроводом и шунтом приводит к дополнительным погрешностям. Также указанное устройство не имеет блока питания электронной аппаратуры на высоковольтной стороне, что делает невозможным ее работу.The disadvantage of this high-voltage optoelectronic device is that the measurement is carried out by determining the voltage on the shunt connected in parallel with the main current lead, changing the redistribution of currents between the current lead and the shunt leads to additional errors. Also, this device does not have a power supply unit for electronic equipment on the high-voltage side, which makes its operation impossible.

Известно высоковольтное цифровое устройство для измерения тока (Патент на полезную модель РФ №137955, G01R 19/00, 2014 г.), принятое за прототип, содержащее шунт, аналого-цифровой преобразователь, оптический приемопередатчик и оптический канал, питающий электромагнитный трансформатор и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током; преобразователь ток-напряжение, стабилизатор напряжения и блок обработки сигналов, помещенные внутрь шунта, выполненного цилиндрическим с внутренней полостью и включенного в рассечку токопровода; второй оптический приемопередатчик, маршрутизатор и блок питания, расположенные на низковольтной стороне; при этом оптический приемопередатчик помещен внутрь шунта, а блок обработки сигналов включает аналого-цифровой преобразователь; при чем питающий электромагнитный трансформатор подключен к преобразователю ток-напряжение, который соединен со стабилизатором напряжения, подключенным к блоку обработки сигналов и к первому оптическому приемопередатчику, потенциальные электроды шунта и пояс Роговского подключены к блоку обработки сигналов, который подключен к первому оптическому приемопередатчику через оптический канал соединенному со вторым оптическим приемопередатчиком, подключенным к маршрутизатору, а блок питания подключен ко второму оптическому приемопередатчику и к маршрутизатору.A high-voltage digital device for measuring current is known (Patent for a utility model of the Russian Federation No. 137955, G01R 19/00, 2014), adopted as a prototype containing a shunt, an analog-to-digital converter, an optical transceiver and an optical channel supplying an electromagnetic transformer and Rogowski belt covering the current path with a measured current; a current-voltage converter, a voltage stabilizer, and a signal processing unit placed inside a shunt made cylindrical with an internal cavity and included in the cut of the current lead; a second optical transceiver, router, and power supply located on the low voltage side; wherein the optical transceiver is placed inside the shunt, and the signal processing unit includes an analog-to-digital converter; wherein the supply electromagnetic transformer is connected to a current-voltage converter, which is connected to a voltage stabilizer connected to the signal processing unit and to the first optical transceiver, the potential shunt electrodes and Rogowski belt are connected to the signal processing unit, which is connected to the first optical transceiver through an optical channel connected to the second optical transceiver connected to the router, and the power supply is connected to the second optical transceiver to the sensor and to the router.

Недостатком указанного устройства является отсутствие диагностики сигнала шунта, отсутствие резервирования сигнала по постоянному току, недостаточная точность измерения тока для систем коммерческого учета электроэнергии, отсутствие синхронизации измерений с системой точного времени.The disadvantage of this device is the lack of diagnostics of the shunt signal, the lack of redundancy of the DC signal, insufficient accuracy of current measurement for commercial electricity metering systems, lack of synchronization of measurements with the exact time system.

Технический результат заключается в обеспечении возможности диагностики сигнала шунта, резервировании сигнала по постоянному току, повышении точности измерения тока, синхронизации измерений с системой точного времени.The technical result consists in providing the possibility of diagnosing a shunt signal, reserving a DC signal, increasing the accuracy of current measurement, synchronizing measurements with an accurate time system.

Технический результат достигается тем, что высоковольтное цифровое устройство для измерения тока, содержащее питающий электромагнитный трансформатор и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током; цилиндрический шунт с внутренней полостью, включенный в рассечку токопровода, помещенные внутрь шунта преобразователь ток-напряжение, стабилизатор напряжения, блок обработки сигналов с аналого-цифровым преобразователем и первый оптический приемопередатчик; оптический канал; второй оптический приемопередатчик, маршрутизатор и блок питания, расположенные на низковольтной стороне; при этом питающий электромагнитный трансформатор подключен к преобразователю ток-напряжение, который подключен к стабилизатору напряжения, подключенному к блоку обработки сигналов и к первому оптическому приемопередатчику, потенциальные электроды шунта и пояс Роговского подключены к блоку обработки сигналов, который подключен к первому оптическому приемопередатчику через оптический канал соединенному со вторым оптическим приемопередатчиком, подключенным к маршрутизатору, блок питания подключен ко второму оптическому приемопередатчику и маршрутизатору, дополнительно содержит магнитотранзисторный преобразователь и измерительный электромагнитный трансформатор тока, охватывающие токопровод с измеряемым током, и блок синхронизации с системой точного времени, помещенный внутрь шунта, при этом магнитотранзисторный преобразователь, измерительный электромагнитный трансформатор тока и выход блока синхронизации с системой точного времени подключены к блоку обработки сигналов, а вход блока синхронизации с системой точного времени подключен к стабилизатору напряжения.The technical result is achieved by the fact that a high-voltage digital device for measuring current, comprising a supplying electromagnetic transformer and a Rogowski belt, covering the conductor with the measured current; a cylindrical shunt with an internal cavity included in the dissection of the current lead, a current-voltage converter, a voltage stabilizer, a signal processing unit with an analog-to-digital converter, and a first optical transceiver placed inside the shunt; optical channel; a second optical transceiver, router, and power supply located on the low voltage side; wherein the supply electromagnetic transformer is connected to a current-voltage converter, which is connected to a voltage stabilizer connected to the signal processing unit and to the first optical transceiver, potential shunt electrodes and Rogowski belt are connected to the signal processing unit, which is connected to the first optical transceiver through an optical channel connected to the second optical transceiver connected to the router, the power supply is connected to the second optical transceiver to the sensor and the router, further comprises a magnetotransistor converter and a measuring electromagnetic current transformer, covering the current path with a measured current, and a synchronization unit with an accurate time system placed inside the shunt, while a magnetotransistor converter, a measuring electromagnetic current transformer and the output of the synchronization unit with an exact time system are connected to the signal processing unit, and the input of the synchronization unit with the exact time system is connected to the voltage regulator eniya.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема высоковольтного цифрового устройства для измерения тока.In FIG. 1 is a schematic diagram of a high voltage digital current measuring device.

На чертеже использованы следующие обозначения: токопровод 1, цилиндрический шунт 2, пояс Роговского 3, магнитотранзисторный преобразователь 4, измерительный электромагнитный трансформатор тока 5, питающий электромагнитный трансформатор 6, преобразователь ток-напряжение 7, стабилизатор напряжения 8, блок обработки сигналов 9, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок синхронизации с системой точного времени 10, первый оптический приемопередатчик 11, оптический канал 12, второй оптический приемопередатчик 13, маршрутизатор 14, блок питания 15, опорный изолятор 16.The following notation is used in the drawing: current lead 1, cylindrical shunt 2, Rogowski belt 3, magnetotransistor converter 4, measuring electromagnetic current transformer 5, feeding electromagnetic transformer 6, current-voltage converter 7, voltage regulator 8, signal processing unit 9, containing analog- a digital converter (ADC), a synchronization unit with an accurate time system 10, a first optical transceiver 11, an optical channel 12, a second optical transceiver 13, a router 14, a block power supply 15, support insulator 16.

Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока содержит цилиндрический шунт 2, включенный в рассечку токопровода 1 (совмещенный с токопровод ом). Пояс Роговского 3, магнитотранзисторный преобразователь 4, измерительный электромагнитный трансформатор тока 5 и питающий электромагнитный трансформатор 6 охватывают токопровод 1 с измеряемым током. Внутрь шунта 2 помещены: преобразователь ток-напряжение 7, стабилизатор напряжения 8, блок обработки сигналов 9, блок синхронизации с системой точного времени 10 и первый оптический приемопередатчик 11. Оптический канал 12 помещен внутрь опорного изолятора 16, второй оптический приемопередатчик 13, маршрутизатор 14, блок питания 15 расположены на низковольтной стороне. Питающий электромагнитный трансформатор 6 соединен с преобразователем ток-напряжение 7, который подключен к стабилизатору напряжения 8. Стабилизатор напряжения 8 также подключен к блоку обработки сигналов 9, к входу блока синхронизации с системой точного времени 10 и к первому оптическому приемопередатчику 11. Потенциальные электроды цилиндрического шунта 2, пояс Роговского 3, магнитотранзисторный преобразователь 4, измерительный электромагнитный трансформатор тока 5 и выход блока синхронизации с системой точного времени 10 подключены к блоку обработки сигналов 9, который соединен с первым оптическим приемопередатчиком 11. Первый оптический приемопередатчик 11 с помощью оптического канала 12 соединен со вторым оптическим приемопередатчиком 13, который подключен к маршрутизатору 14. Блок питания 15 подключен ко второму оптическому приемопередатчику 13 и маршрутизатору 14. Преобразователь ток-напряжение 7, стабилизатор напряжения 8, блок обработки сигналов 9, блок синхронизации с системой точного времени 10 и первый оптический приемопередатчик 11 помещены внутрь шунта для исключения влияния на них электрических и магнитных полей. Оптический канал 12 помещен в опорный изолятор 16 для обеспечения высоковольтной изоляции. Цилиндрический шунт 2, преобразует весь спектр частот, включая постоянный ток и апериодическую составляющую с высокой точностью. Пояс Роговского 3 позволяет измерять токи в рабочих и переходных режимах. Магнитотранзисторный преобразователь 4 предназначен для измерения токов в переходных и аварийных режимах работы с целью снабжения информацией релейной защиты и автоматики, работает в линейном диапазоне с токами короткого замыкания высокой кратности и осуществляет преобразование тока без искажения в широком спектре частот, включая постоянную и апериодическую составляющие. Измерительный электромагнитный трансформатор тока 5 имеет высокий класс точности (так как его магнитоировод выполнен из нанокристаллического сплава) и предназначен для измерения токов для автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии.The high-voltage digital device for measuring current contains a cylindrical shunt 2 included in the dissection of the current lead 1 (combined with the ohm lead). Rogowski belt 3, a magnetotransistor converter 4, a measuring electromagnetic current transformer 5 and a supplying electromagnetic transformer 6 enclose a current conductor 1 with a measured current. Inside the shunt 2 are placed: a current-voltage converter 7, a voltage stabilizer 8, a signal processing unit 9, a synchronization unit with an accurate time system 10 and a first optical transceiver 11. The optical channel 12 is placed inside the reference insulator 16, the second optical transceiver 13, router 14, power supply 15 are located on the low voltage side. The supply electromagnetic transformer 6 is connected to a current-voltage converter 7, which is connected to a voltage regulator 8. The voltage stabilizer 8 is also connected to a signal processing unit 9, to the input of a synchronization unit with an accurate time system 10 and to the first optical transceiver 11. Potential electrodes of a cylindrical shunt 2, Rogowski belt 3, magnetotransistor converter 4, measuring electromagnetic current transformer 5 and the output of the synchronization unit with the exact time system 10 are connected to signal processing 9, which is connected to the first optical transceiver 11. The first optical transceiver 11 through the optical channel 12 is connected to the second optical transceiver 13, which is connected to the router 14. The power supply 15 is connected to the second optical transceiver 13 and the router 14. The current Converter -voltage 7, voltage stabilizer 8, signal processing unit 9, synchronization unit with an accurate time system 10 and the first optical transceiver 11 are placed inside the shunt to exclude I influence on them electric and magnetic fields. The optical channel 12 is placed in the support insulator 16 to provide high-voltage isolation. Cylindrical shunt 2, converts the entire spectrum of frequencies, including direct current and aperiodic component with high accuracy. Rogowski belt 3 allows you to measure currents in operating and transient modes. The magnetotransistor converter 4 is designed to measure currents in transient and emergency modes of operation in order to provide information for relay protection and automation, operates in the linear range with short-circuit currents of high multiplicity and converts current without distortion in a wide range of frequencies, including constant and aperiodic components. Measuring electromagnetic current transformer 5 has a high accuracy class (since its magneto-wire is made of nanocrystalline alloy) and is designed to measure currents for automated information-measuring systems for commercial accounting of electricity.

Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока работает следующим образом. При протекании электрического тока по токопроводу 1 па цилиндрическом шунте 2 наблюдается падение напряжения, в поясе Роговского 3 наводится ЭДС, равная

, на выходе магнитотранзисторного преобразователя 4 появляется напряжение и на выходе измерительного электромагнитного трансформатора тока 5 также появляется напряжение, поступающие на блок обработки сигналов 9, где они обрабатывается в соответствии с запрограммированными алгоритмами, в том числе преобразуются в цифровую форму. Также на блок обработки сигналов 9 через определенный интервал времени поступает сигнал синхронизации от блока синхронизации с системой точного времени 10. Наличие магнитотранзисторного преобразователя 4, позволяющего измерять не только переменный, но и постоянный ток, дает возможность проводить диагностику сигнала цилиндрического шунта 2 в блоке обработки сигналов 8 или на низковольтной стороне путем сравнения сигнала цилиндрического шунта 2 и магнитотранзисторного преобразователя 4. За счет того, что магнитотранзисторный преобразователь 4 может измерять постоянный ток выполняется резервирование сигнала по постоянному току. Использование магнитопровода, выполненного из нанокристаллической сплава, в измерительном электромагнитном трансформаторе тока 5 позволяет повысить точность измерений и достигнуть высокий класс точности достаточный для систем коммерческого учета электроэнергии. Использование блока синхронизации с системой точного времени 10 обеспечивает синхронизацию устройства с устройствами-потребителями информации. Информационный поток об измеренном токе с метками времени от блока обработки сигналов 9 поступает на оптический приемопередатчик 11, преобразующий его в оптический сигнал. Оптический сигнал через оптический канал 12 передается на низковольтную сторону, где с помощью второго оптического приемопередатчика 13 преобразуется обратно в информационный поток и передается маршрутизатору 14. Маршрутизатор 14 передает информацию об измеренном токе потребителям информации. Потребителями информации могут быть устройства релейной защиты и автоматики, устройства коммерческого учета электроэнергии и др. Электрический ток от питающего трансформатора 6, возникающий при протекании тока по токопроводу 1, поступает на преобразователь ток-напряжение 7, где осуществляется выпрямление, сглаживание, ограничение выходного напряжения. Полученное напряжение поступает на стабилизатор напряжения 8, выполняющего функцию нормирования выходного напряжения до заданного уровня и сглаживание. Питание блоку обработки сигналов 9, блоку синхронизации с системой точного времени 10 и первому приемопередатчику 11 подается от стабилизатора напряжения 8. Питание второму оптическому приемопередатчику 13 и маршрутизатору 14 подается от блока питания 15.A high voltage digital device for measuring current is as follows. When electric current flows through the current lead 1 pa to a cylindrical shunt 2, a voltage drop is observed, in the Rogowski 3 belt an EMF equal to

, a voltage appears at the output of the magnetotransistor converter 4 and a voltage also appears at the output of the measuring electromagnetic current transformer 5, which are supplied to the signal processing unit 9, where they are processed in accordance with programmed algorithms, including digitalization. Also, the signal processing unit 9 receives, at a certain time interval, a synchronization signal from the synchronization unit with an accurate time system 10. The presence of a magnetotransistor converter 4, which allows measuring not only alternating but also direct current, makes it possible to diagnose the signal of the cylindrical shunt 2 in the signal processing unit 8 or on the low-voltage side by comparing the signal of a cylindrical shunt 2 and a magnetotransistor converter 4. Due to the fact that the magnetotransistor converter Customer 4 can measure direct current. The signal is backed up by direct current. The use of a magnetic core made of a nanocrystalline alloy in a measuring electromagnetic current transformer 5 makes it possible to increase the accuracy of measurements and achieve a high accuracy class sufficient for commercial electricity metering systems. The use of a synchronization unit with an accurate time system 10 ensures synchronization of the device with information consumer devices. The information stream about the measured current with time stamps from the signal processing unit 9 is fed to the optical transceiver 11, converting it into an optical signal. The optical signal through the optical channel 12 is transmitted to the low-voltage side, where, using the second optical transceiver 13, it is converted back into the information stream and transmitted to the router 14. The router 14 transmits information about the measured current to information consumers. Information consumers may include relay protection and automation devices, commercial electricity metering devices, etc. Electric current from the supply transformer 6, which occurs when current flows through the current lead 1, is fed to the current-voltage converter 7, where rectification, smoothing, and limiting the output voltage are performed. The resulting voltage is supplied to a voltage stabilizer 8, which performs the function of normalizing the output voltage to a given level and smoothing. The power to the signal processing unit 9, the synchronization unit with the exact time system 10 and the first transceiver 11 is supplied from the voltage regulator 8. Power is supplied to the second optical transceiver 13 and the router 14 from the power supply 15.

Таким образом, применение четырех первичных преобразователей (шунт, пояс Роговского, магнитотранзисторный преобразователь и измерительный электромагнитный трансформатор тока) и блока синхронизации с системой точного времени в заявленном техническом решении обеспечивает возможность диагностики сигнала шунта, резервирование сигнала по постоянному току, повышение точности измерения тока, синхронизацию измерений с системой точного времени.Thus, the use of four primary converters (shunt, Rogowski belt, magnetotransistor converter and measuring electromagnetic current transformer) and a synchronization unit with an accurate time system in the claimed technical solution provides the possibility of diagnosing a shunt signal, redundant DC signal, increasing the accuracy of current measurement, synchronization measurements with an accurate time system.

Claims

A high-voltage digital device for measuring current, comprising a supplying electromagnetic transformer and a Rogowski belt, covering a current-carrying conductor with a measured current; a cylindrical shunt with an internal cavity included in the dissection of the current lead; a current-voltage converter, a voltage stabilizer, a signal processing unit with an analog-to-digital converter, and a first optical transceiver placed inside the shunt; optical channel; a second optical transceiver, router, and power supply located on the low voltage side; wherein the supply electromagnetic transformer is connected to a current-voltage converter, which is connected to a voltage stabilizer connected to the signal processing unit and to the first optical transceiver, potential shunt electrodes and Rogowski belt are connected to the signal processing unit, which is connected to the first optical transceiver through an optical channel connected to the second optical transceiver connected to the router, the power supply is connected to the second optical transceiver a sensor and a router, characterized in that it further comprises a magnetotransistor converter and a measuring electromagnetic current transformer, covering the current path with a measured current, and a synchronization unit with an accurate time system, placed inside the shunt, while a magnetotransistor converter, a measuring electromagnetic current transformer and the output of the synchronization unit with the time system is connected to the signal processing unit, and the input of the synchronization unit to the time system is connected to the voltage regulator.