RU150386U1 - Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока - Google Patents

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, аккумуляторную батарею и преобразователь световой энергии в электрическую, помещенные внутрь шунта, генератор оптического излучения, расположенный на низковольтной стороне, второй оптический канал и блок разделительных трансформаторов, помещенные в опорный изолято

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к цифровым измерительным устройствам постоянного и переменного токов.

Известен датчик тока (Патент на изобретение РФ №2377578, МПК G01R 19/00, 2008 г.), содержащий резистивный 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.

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.

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.

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.

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.

Недостатком указанного устройства является отсутствие диагностики сигнала шунта, отсутствие резервирования сигнала но постоянному току, недостаточная точность измерения тока для систем коммерческого учета электроэнергии, отсутствие синхронизации измерений с системой точного времени, отсутствие возможности работы устройства при отсутствии или малом токе в токопроводе, отсутствие многократного резервирования питания.

Технический результат заключается в обеспечении возможности диагностики сигнала шунта, резервировании сигнала по постоянному току, повышении точности измерения тока, синхронизации измерений с системой точного времени, обеспечении работы устройства при отсутствии или малом токе в токопроводе, многократное резервирование питания.

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, аккумуляторную батарею и преобразователь световой энергии в электрическую, помещенные внутрь шунта, генератор оптического излучения, расположенный на низковольтной стороне, второй оптический канал и блок разделительных трансформаторов, помещенные в опорный изолятор, при этом магнитотранзисторный преобразователь, измерительный электромагнитный трансформатор тока и выход блока синхронизации с системой точного времени подключены к блоку обработки сигналов, вход блока синхронизации с системой точного времени, аккумуляторная батарея, преобразователь световой энергии в электрическую и блок разделительных трансформаторов подключены к стабилизатору напряжения, второй выход блока питания подключен к блоку разделительных трансформаторов и к генератору оптического излучения, через второй оптический канал подключенному к преобразователю световой энергии в электрическую. На фиг. 1 изображена принципиальная схема высоковольтного цифрового устройства для измерения тока.

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, аккумуляторная батарея 11, первый оптический приемопередатчик 12, первый оптический канал 13, второй оптический приемопередатчик 14, маршрутизатор 15, блок питания 16, генератор оптического излучения 17, второй оптический канал 18, преобразователь световой энергии в электрическую 19, блок разделительных трансформаторов 20, опорный изолятор 21.

Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока, содержит цилиндрический шунт 2, включенный в рассечку токопровода 1 (совмещенный с токопроводом). 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, аккумуляторная батарея 11, первый оптический приемопередатчик 12 и преобразователь световой энергии в электрическую 19. Первый оптический канал 13, второй оптический канал 18 и блок разделительных трансформаторов 20 помещены внутрь опорного изолятора 21, второй оптический приемопередатчик 14, маршрутизатор 15, блок питания 16 и генератор оптического излучения 17 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, содержащему АЦП, к блоку синхронизации с системой точного времени 10, аккумуляторной батарее 11, к первому оптическому приемопередатчику 12, преобразователю световой энергии в электрическую 19 и блоку разделительных трансформаторов 20. Потенциальные электроды цилиндрического шунта 2, пояс Роговского 3, магнитотранзисторный преобразователь 4, измерительный электромагнитный трансформатор тока 5 и блок синхронизации с системой точного времени подключены к блоку обработки сигналов 9, который соединен с первым оптическим приемопередатчиком 12. Первый оптический приемопередатчик 12 с помощью первого оптического капала 13 соединен со вторым оптическим приемопередатчиком 14, который подключен к маршрутизатору 15. Генератор оптического излучения 17 подключен к преобразователю световой энергии в электрическую 19 через второй оптический канал 18. Блок питания 16 подключен ко второму оптическому приемопередатчику 14, маршрутизатору 15, генератору оптического излучения 17 и блоку разделительных трансформаторов 20. Преобразователь ток-напряжение 7, стабилизатор напряжения 8, блок обработки сигналов 9, блок синхронизации с системой точного времени 10, аккумуляторная батарея 11, первый оптический приемопередатчик 12 и преобразователь световой энергии в электрическую 19 помещены внутрь шунта для исключения влияния на них электрических и магнитных полей. Первый оптический канал 13 и второй оптический канал 18 помещены в опорный изолятор 17 для обеспечения высоковольтной изоляции. Аккумуляторная батарея 11 предназначена для резервного питания блоков, помещенных внутрь шунта. 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 магнитопровод выполнен из нанокристаллического сплава) и предназначен для измерения токов для автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии.

Высоковольтное цифровое устройство для измерения тока работает следующим образом. При протекании электрического тока по токопроводу 1 на 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 12, преобразующий его в оптический сигнал. Оптический сигнал через первый оптический канал 13 передается на низковольтную сторону, где с помощью второго оптического приемопередатчика 14 преобразуется обратно в информационный поток и передается маршрутизатору 15. Маршрутизатор 15 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 приемопередатчику 12 подается от стабилизатора напряжения 8. Питание к стабилизатору напряжения 8 подается либо от питающего электромагнитного трансформатора 6 (нормальный режим эксплуатации), либо от аккумуляторной батареи 11 (первый источник резервного питания), либо от блока питания 16 (второй источник резервного питания). Аккумуляторная батарея 11 подзаряжается от стабилизатора напряжения 8. Электрический сигнал от блока питания 16 подается на генератор оптического излучения 17, который преобразует электрический сигнал в оптический. Оптический сигнал через второй оптический канал 18 поступает на преобразователь световой энергии в электрическую 19, где, соответственно, преобразуется в электрический сигнал, используемый для питания блоков внутри шунта. Также электрический сигнал от блока питания 16 может быть подан на блок разделительных трансформаторов 20, а затем на стабилизатор напряжения 8. Питание второму оптическому приемопередатчику 14 и маршрутизатору 15 подается от блока питания 16.

Таким образом, применение четырех первичных преобразователей (шунт, пояс Роговского, магнитотранзисторный преобразователь и измерительный электромагнитный трансформатор тока) и блока синхронизации с системой точного времени, аккумуляторной батареи, генератора оптического излучения, преобразователя световой энергии в электрическую и блока разделительных трансформаторов в заявленном техническом решении обеспечивает возможность диагностики сигнала шунта, резервирование сигнала по постоянному току, повышение точности измерения тока, синхронизацию измерений с системой точного времени, работу устройства при отсутствии или малом токе в токопроводе, многократное резервирование питания.

Claims (1)

1. 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, аккумуляторную батарею и преобразователь световой энергии в электрическую, помещенные внутрь шунта, генератор оптического излучения, расположенный на низковольтной стороне, второй оптический канал и блок разделительных трансформаторов, помещенные в опорный изолятор, при этом магнитотранзисторный преобразователь, измерительный электромагнитный трансформатор тока и выход блока синхронизации с системой точного времени подключены к блоку обработки сигналов, вход блока синхронизации с системой точного времени, аккумуляторная батарея, преобразователь световой энергии в электрическую и блок разделительных трансформаторов подключены к стабилизатору напряжения, второй выход блока питания подключен к блоку разделительных трансформаторов и к генератору оптического излучения, через второй оптический канал подключенному к преобразователю световой энергии в электрическую.

   

Images