Високовольтний вимірювальний трансформатор струму

Реферат: Винахід належить до галузі електротехніки і може бути використаний для перетворення і передачі вимірювальної інформації вимірювальним приладам, пристроям релейного захисту, технічного та комерційного обліку електроенергії. Високовольтний вимірювальний трансформатор струму містить: трансформатор струму, випрямляч, стабілізатор напруги, аналого-цифровий перетворювач, в який додаткового введені другий аналого-цифровий перетворювач, пояс Роговського, два інтегратори, два мікроконтролери, передавач, приймач, два цифро-аналогових перетворювачі, два підсилювачі потужності, що дозволяє підвищити точність вимірювання, збільшити динамічний діапазон перетворення, підвищити надійність, повністю виключити ймовірність пробою ізоляції, знизити витрати матеріалів і знизити собівартість. UA 110009 C2 (12) UA 110009 C2 UA 110009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електротехніки і може бути використаний для перетворення і передачі вимірювальної інформації вимірювальним приладам, пристроям релейного захисту, технічного та комерційного обліку електроенергії. Технічний результат полягає в підвищенні точності, збільшенні динамічного діапазону перетворення, підвищенні надійності, повному виключенні ймовірності пробою ізоляції, зниженні витрат матеріалів і зниженні собівартості. Відомо безліч технічних рішень для перетворення (вимірювання) струму в високовольтних мережах. Наприклад, традиційні трансформатори струму для пристроїв релейного захисту (Трансформаторы тока/ В.В. Афанасьев, Н.М. Анодьев, В.М. Кибель и др. - Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. Отд. 1989). Однак, вони мають великі габарити, а відповідно і ціну. Крім того традиційний трансформатор струму не здатний одночасно забезпечити роботу засобів обліку та релейного захисту, так як має малий динамічний діапазон перетворення. Це обумовлено властивістю насичення магнітопроводу. Для виключення цього недоліку, як правило, на високовольтних підстанціях встановлюється декілька трансформаторів струму, кожен з яких призначений строго для певних цілей. Так на високовольтних підстанціях встановлюються трансформатори струму для комерційного обліку електроенергії (з класом точності не гірше 0,5 і працюючих в діапазоні номінальних струмів). Для релейного захисту встановлюються трансформатори струму, здатні працювати при струмах, які значно перевищують номінальні струми і з похибкою вимірювання не більше 10 % (трансформатори класу "Р"), а для диференціальних захистів потрібно ще і установка трансформаторів класу "Д", тобто трансформаторів, магнітопровід яких не входить в насичення при струмах короткого замикання. І такий набір трансформаторів необхідно встановлювати на кожну з трьох фаз на кожному з приєднань. Сучасні трансформатори струму в одній конструкції мають повний набір з таких трансформаторів для вирішення всіх перерахованих завдань. Відомі конструкції трансформаторів струму, в яких застосовуються паперово-масляна, елегазова ізоляція або ізоляція, виконана з епоксидного компаунда. Недоліком цих конструкцій є значні масогабаритні характеристики, висока ціна, обмежений динамічний діапазон обумовлений насиченням магнітопроводу, висока ймовірність електричного пробою ізоляційних проміжків в процесі експлуатації, що підтверджується багаторічним досвідом використання таких трансформаторів струму в різних електроенергетичних пристроях. Відомі і такі трансформатори струму, які побудовані на принципах вимірювання впливу електромагнітного поля створеним електричним струмом, який проходить по провіднику, на поляризацію світлового потоку. Це так звані волоконно-оптичні трансформатори струму (наприклад, патент РФ 2321000). Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого пристрою є вимірювальний трансформатор струму (патент РФ № 2166218 МПК: G01R 19/00, H01F 38/00), який має три трансформатори, світлодіод та світловод, два посилювачі, п'ять резисторів, два стабілітрони, випрямний пристрій, фільтр низьких частот, стабілізатор напруги. Недоліком прототипу є малий динамічний діапазон перетворення, що не дозволяє його використовувати одночасно для цілей релейного захисту та, наприклад, комерційного обліку електроенергії. Зазначений в прототипі канал передачі даних не можна вважати надійним з точки зору електричної міцності. Не дивлячись на те, що світловод виготовляється з високоякісного кварцового скла і має прекрасні ізоляційні властивості. В умовах експлуатації навіть при сухій погоді, світловод, під дією руху повітря (вітру), електролізується, різко знижуючи свою електричну міцність, а при атмосферних опадах на світловоді взагалі утворюється струмопровідна водяна плівка, яка однозначно призведе до високовольтного пробою. У результаті, наприклад, в мережі 750 кВ це, однозначно, призведе до великої системної аварії, з повною відмовою дії релейного захисту. Збільшити електроізоляційні властивості світловода можна за рахунок створення ребристості особливого виду (як у високовольтних ізоляторів), проте це на порядки збільшить собівартість прототипу. В основу винохода поставлена задача удосконалення високовольтного вимірювального трансформатора струму, в якому за рахунок нових елементів схеми та їх взаємозв'язку забезпечується зростання динамічного діапазону перетворення, підвищення надійності, зниження витрат матеріалів, повне виключення ймовірності пробою ізоляції. Для вирішення поставленої задачі в високовольтний трансформатор струму, що містить: трансформатор струму, випрямляч, стабілізатор напруги, аналого-цифровий перетворювач, що відрізняється тим, що в пристрій додатково введено другий аналого-цифровий перетворювач, пояс Роговського, два інтегратори, два мікроконтролери, передавач, приймач, два цифроаналогових перетворювачі, два підсилювачі потужності, причому вихід пояса Роговського з'єднаний зі входом першого і входом другого інтеграторів, вихід першого інтегратора з'єднаний зі входом першого аналого-цифрового перетворювача, а вихід другого інтегратора з'єднаний зі 1 UA 110009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 входом другого аналого-цифрового перетворювача, вихід першого аналого-цифрового перетворювача підключений до першого входу першого мікроконтролера, а вихід другого аналого-цифрового перетворювача підключений до другого входу першого мікроконтролера, а вихід першого мікроконтролера з'єднаний зі входом передавача, вихід трансформатора струму з'єднаний зі входом випрямляча, а його вихід з'єднаний із входом стабілізатора напруги; в свою чергу вхід стабілізатора напруги з'єднаний зі входом живлення першого і другого інтеграторів, першого і другого аналого-цифрових перетворювачів, першого мікроконтролера, передавача, крім того, передавач за допомогою радіосигналу з'єднаний з приймачем, а вихід приймача підключений до входу другого мікроконтролера, перший вихід, якого, з'єднаний зі входом першого цифро-аналогового перетворювача, а другий вихід з'єднаний із входом другого цифроаналогового перетворювача; вихід же першого цифро-аналогового перетворювача підключений до входу першого підсилювача потужності, а вихід другого цифро-аналогового перетворювача підключений до входу другого підсилювача потужності, крім того, цифровий вихід другого мікроконтролера приєднаний до споживачів цифрової інформації про величину вимірюваного струму, а виходи першого і другого підсилювачів потужності підключені до споживачів аналогової інформації про величину вимірюваного струму. Так само як і прототип, пропонований високовольтний вимірювальний трансформатор струму розміщений безпосередньо на високовольтному проводі. Для виключення пробою ізоляції в пропонований винахід цифровий інформаційний сигнал передається до споживача не по світловоду, як в прототипі, а з широкосмугового радіоканалу, забезпечуючи при цьому абсолютну електричну міцність при будь-якій робочій напрузі електрообладнання та надійну цифрову передачу даних. Застосування широкосмугового радіоканалу дозволяє виключити втрати даних при різних несприятливих умовах проходження радіосигналу. Збільшення динамічного діапазону пропонованого винаходу досягнуто за рахунок застосування пояса Роговського, який, як відомо, не переходить в насичення при надмірно великих струмах, таких, які мають місце при коротких замиканнях, а так само двох інтеграторів і двох аналого-цифрових перетворювачів. Все це дозволяє забезпечити перекриття всього динамічного діапазону, як для цілей комерційного обліку, так і для цілей апаратури релейного захисту. Підвищення точності перетворення обумовлено застосуванням пояса Роговського пристрою, який має лінійну характеристику перетворення, двох інтеграторів з різним коефіцієнтом перетворення і двох аналого-цифрових перетворювачів, кожен з яких забезпечує задану точність у своєму, обмеженому динамічному діапазоні. Зниження собівартості пояснюється відмовою від вимірювальних трансформаторів струму, а застосуванням пояса Роговського, виконаного у вигляді друкованої плати. Суть пристрою пояснюється кресленням, де наведена схема розташування пропонованого високовольтного вимірювального трансформатора струму. Він містить пояс Роговського 1, через який проходить провідник з вимірюваним струмом 2. Вихід пояса Роговського з'єднаний з двома інтеграторами 3 і 4, зібраними, наприклад, на базі операційних підсилювачів LM833 що мають різний коефіцієнт передачі. Вихід першого інтегратора 3 з'єднаний із входом першого аналого-цифрового перетворювача 5, побудованого, наприклад, на базі мікросхеми МСР3301, а вихід другого інтегратора 4 з'єднаний зі входом другого аналого-цифрового перетворювача 6. Вихід першого аналого-цифрового перетворювача підключений до першого входу першого мікроконтролера 7, наприклад, ATtiny2313, a вихід другого аналого-цифрового перетворювача підключений до другого входу першого мікроконтролера 7, а вихід першого мікроконтролера 7 з'єднаний зі входом передавача 8, наприклад модуль RFM12B. Крім того, провідник з вимірюваним струмом 2 проходить і через трансформатор струму 9, вихід якого з'єднаний зі входом випрямляча 10, а вихід випрямляча з'єднаний із входом стабілізатора напруги 11. У свою чергу вхід стабілізатора напруги з'єднаний зі входом живлення першого інтегратора 3 і входом живлення другого інтегратора 4, а так само входом живлення першого аналого-цифрового перетворювача 5 і входом живлення другого аналого-цифрового перетворювача 6, входом живлення першого мікроконтролера 7, входом живлення передавача 8. Передавач 8 за допомогою радіосигналу з'єднаний з приймачем 12, наприклад модуль RFM12B, а вихід приймача 12 з'єднаний зі входом другого мікроконтролера 13, наприклад ATmeqa88, перший вихід якого з'єднаний зі входом першого цифро-аналогового перетворювача 14, а другий вихід з'єднаний із входом другого цифро-аналогового перетворювача 15. Вихід же першого цифро-аналогового перетворювача 14 підключений до входу першого підсилювача потужності 16, а вихід другого цифро-аналогового перетворювача 15 підключений до входу другого підсилювача потужності 17. Крім того, цифровий вихід другого мікроконтролера 13 приєднаний до споживачів цифрової інформації 2 UA 110009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 про миттєві значення вимірюваного струму, а виходи підсилювачів потужності 16 і 17 до споживачів аналогової інформації про значення вимірюваного струму. Робота пропонованого пристрою полягає в наступному. Вимірюваний струм протікає по високовольтному дроту, що є первинною обмоткою першого, пояса Роговського 2 і трансформатора струму 9 наводить в поясі Роговського ЕДС. Вона подається на входи першого і другого інтеграторів 3 і 4. Перший інтегратор розрахований таким чином, щоб його максимальна вихідна напруга відповідала напрузі повної шкали першого АЦП при протіканні струму через вимірюваний провідник, значення якого не перевищуватиме 1,2 ІНом. Тобто при перевантаженні лінії на 20 % більше номінальної. Іншими словами перший інтегратор і перший АЦП мають діапазон роботи обмежений номінальними струмами лінії, що дозволяє забезпечити задану точність, яка визначається, в основному, розрядністю АЦП. Другий інтегратор розрахований таким чином, щоб його максимальна вихідна напруга відповідала напрузі повної шкали другого АЦП при протіканні струму, через вимірюваний провідник, який значно перевищує струми короткого замикання. Іншими словами, при короткому замиканні в лінії, коли струм у вимірюваному провіднику може перевершувати номінальний в сотні і навіть тисячі разів вихідна напруга другого інтегратора не перевищує напруги повної шкали другого АЦП. Природно, навіть при великій розрядності другого АЦП точність його виміру буде значно нижче, ніж у першого АЦП в режимі номінальних навантажень. Однак це цілком прийнятно, так як ПУЕ допускає похибка перетворювачів струму для цілей релейного захисту аж до 10 %. Перший мікроконтролер 7 обробляючи інформацію, яка від першого і другого аналогоцифрового перетворювача, формує пакет даних і негайно передає його через передавач 8 на приймач 12. Передавач 8 і приймач 12 працюють на частоті 2,4 гігагерца. При потужності передавача в одиниці мікроват досягається впевнений, стійкий зв'язок при малій споживаної потужності, так як навіть при використанні запропонованого пристрою на лінії 750 кВ відстань між передавачем і приймачем не перевищує 10 метрів, і в той же час забезпечується ідеальні умови з точки зору електричної міцності. Первинною обмоткою трансформатора струму 9 так само є провідник з вимірюваним струмом 1. Вихідна напруга трансформатора 9 надходить на випрямляч 10, а з його виходу на стабілізатор 11. Вихідна напруга стабілізатора 11 служить для живлення всіх елементів високовольтного трансформатора струму, що знаходяться під високим потенціалом. Другий мікроконтролер 13, приймаючи потік даних через радіоканал, утворений передавачем 8 і приймачем 12, розподіляє їх між першим 14 і другим 15 цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП). До виходів, яких підключені підсилювачі потужності 16 і 17 з струмовим виходом, навантаженням першого з них можуть бути вимірювальні прилади, реєстратори, прилади технічного та комерційного обліку електроенергії, тобто прилади, що вимагають підвищену точність вимірювання в режимі номінальних струмів. Навантаженням другого підсилювача потужності 17 є прилади релейного захисту (у тому числі і диференціального), автоматики, реєстраторів аварійних режимів. Крім того, з виходу другого контролера 13 може бути взятий цифровий потік даних, необхідний будь-яким споживачам інформації про миттєві значення струму в лінії. Таким чином, заявлений винахід при його здійсненні, здатен забезпечити досягнення, які вбачаються заявником технічного результату, що полягає у підвищенні точності, збільшенні динамічного діапазону перетворення, підвищенні надійності, зниженні витрат матеріалів і повному виключенні ймовірності пробою ізоляції. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Високовольтний вимірювальний трансформатор струму, що містить: трансформатор струму, випрямляч, стабілізатор напруги, аналого-цифровий перетворювач, який відрізняється тим, що як додаткові елементи в пристрій введено другий аналого-цифровий перетворювач, пояс Роговського, два інтегратори, два мікроконтролери, передавач, приймач, два цифро-аналогових перетворювачі, два підсилювачі потужності, причому вихід пояса Роговського з'єднаний зі входом першого і входом другого інтеграторів, вихід першого інтегратора з'єднаний зі входом першого аналого-цифрового перетворювача, а вихід другого інтегратора з'єднаний зі входом другого аналого-цифрового перетворювача, вихід першого аналого-цифрового перетворювача підключений до першого входу першого мікроконтролера, а вихід другого аналого-цифрового перетворювача підключений до другого входу першого мікроконтролера, а вихід першого мікроконтролера з'єднаний зі входом передавача, вихід трансформатора струму з'єднаний зі 3 UA 110009 C2 5 10 входом випрямляча, а його вихід з'єднаний із входом стабілізатора напруги; в свою чергу вхід стабілізатора напруги з'єднаний зі входом живлення першого і другого інтеграторів, першого і другого аналого-цифрових перетворювачів, першого мікроконтролера, передавача, крім того, передавач за допомогою радіосигналу з'єднаний з приймачем, а вихід приймача підключений до входу другого мікроконтролера, перший вихід якого з'єднаний зі входом першого цифроаналогового перетворювача, а другий вихід з'єднаний із входом другого цифро-аналогового перетворювача; вихід першого цифро-аналогового перетворювача підключений до входу першого підсилювача потужності, а вихід другого цифро-аналогового перетворювача підключений до входу другого підсилювача потужності, крім того, цифровий вихід другого мікроконтролера приєднаний до споживачів цифрової інформації про величину вимірюваного струму, а виходи першого і другого підсилювачів потужності підключені до споживачів аналогової інформації про значення вимірюваного струму. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4