УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 1999 года по МПК H02J13/00 G01R15/06 

Изобретение относится к области контроля за производством и распределением электрической энергии и может быть использовано для дистанционного контроля за параметрами тока и напряжения в высоковольтной части электроэнергетических систем.

Системы производства и распределения электрической энергии по условиям своего функционирования требуют постоянного и надежного контроля за их состоянием и качеством вырабатываемой и транспортируемой электрической энергии, ее рациональным распределением и потреблением. Этот контроль прежде всего осуществляется с помощью измерения параметров тока и напряжения на различных участках (станциях, подстанциях, ЛЭП) высоковольтных сетей.

Известен ряд устройств, применяемых для этих целей, таких как, например, высоковольтные измерительные трансформаторы и высоковольтные делители [1]. Эти устройства пассивны и содержат первичный элемент, находящийся в непосредственном контакте с высоковольтным проводом, и вторичный элемент, изолированный от высоковольтной сети, с выхода которого снимается низковольтный электрический аналог тока или напряжения, действующих на высокой стороне, и передается для дальнейшей его обработки и определения амплитудно-временных параметров. Из-за особенностей их конструкций, необходимости надзора за ними во время эксплуатации, требований минимизации погрешности измерений измерительные трансформаторы и делители устанавливаются только в крупных обслуживаемых узлах производства и распределения электрической энергии, таких как станции и подстанции. Причем измерительные трансформаторы обычно являются составной частью закрытых комплектных воздушных или элегазовых распределительных устройств (КРУ или КРУЭ), а делители напряжения - открытых распределительных устройств (ОРУ). Кроме указанных ограничений на место размещения, их недостатком является применимость только в области низких частот, как правило, не выходящих за рамки промышленной частоты и ближайших ее гармоник.

Расширение пространственной зоны и частотного диапазона контроля может быть достигнуто использованием в канале измерения волоконно-оптической развязки.

Известны устройства [2] для измерения параметров тока и напряжения в высоковольтной электроэнергетике, имеющие в своем составе пассивный преобразователь сетевого тока или сетевого напряжения, фильтр, электронно-оптический преобразователь, волоконно-оптическую линию связи, оптоэлектронный преобразователь. В качестве пассивных преобразователей сетевого тока в них используются трансформаторы тока уменьшенных в сравнении с традиционными устройствами [1] габаритов, а в качестве пассивных преобразователей сетевого напряжения - стандартные высоковольтные делители напряжения.

Применение волоконно-оптической развязки, кроме увеличения безопасности эксплуатации и помехозащищенности измерительных каналов, позволяет расширить зону контроля за параметрами тока и напряжения от шиносборок и ячеек КРУ до элементов присоединения к высоковольтным ЛЭП в ОРУ станций и подстанций, а также продвинуть верхнюю границу частотного диапазона в область более высоких частот. Дальнейшее расширение зоны контроля с помощью этих устройств наталкивается на необходимость организации системы питания входящих в их состав активных преобразовательных элементов, а также на нерешенность в целом вопросов их конструктивного сопряжения с "типовыми" элементами ЛЭП. Реализация системы питания активных преобразователей через оптическую развязку [2] предопределяет на сегодня низкую ее эффективность и передающую способность (КПД не лучше 3-5% при мощности единицы милливатт).

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является модульное устройство контроля параметров тока и напряжения в высоковольтных электрических сетях [3]. Оно содержит пассивный преобразователь сетевого тока и (или) пассивный преобразователь высокого сетевого напряжения, помещенные в монолитный корпус с внешней изолирующей "рубашкой", допускающей его эксплуатацию на открытом воздухе. Массогабаритные и другие конструктивные характеристики позволяют устанавливать их аналогично опорным изоляторам как на станциях и подстанциях, так и вдоль трасс ЛЭП, что дает возможность распространить контроль за параметрами тока и напряжения на всю высоковольтную электрическую сеть вплоть до периферийных потребителей электроэнергии. Однако эти устройства обладают рядом недостатков, снижающих эффективность их производства и, главное, сужающих область их применения:
1. Используемая в них общепринятая электрическая схема, в соответствии с которой весь перепад высокого напряжения непосредственно осуществляется на изоляции пассивных преобразователей сетевых тока и (или) напряжения, становится препятствием к расширению их частотного диапазона в сторону более высоких частот, а также является причиной технических трудностей, возникающих при производстве этих изделий и связанных с достижением требуемой электрической прочности. Последнее обстоятельство не позволяет в настоящее время создавать подобные модульные конструкции для сетей номинальным напряжением более 46 кВ, что ограничивает их применение районными сетями. По этой же причине производство данных устройств, освоенное фирмой "Lindsey", сопровождается значительным браком (до 30%), выявляемым только на стадии высоковольтных испытаний готовой продукции.

2. Отсутствие гальванической развязки с расположенными на низкой стороне сетей приемниками измерительной информации (для передачи сигналов измерительной информации с выходов пассивных преобразователей к внешним устройствам в этих модулях используются двухпроводные линии связи) делает их эксплуатацию вне защищенных территорий станций и подстанций электроопасной.

3. Высокая точность (0,5-3%), предъявляемая к средствам измерений в электроэнергетике, а также конструктивные особенности исполнения, присущие этим устройствам и вытекающие из принятой в них электрической схемы, обусловливают высокие требования, налагаемые на качество их контакта с высоковольтным сетевым проводом, что влечет за собой увеличение времени подключения модулей к сети и соответственно сопряжено с дополнительными эксплуатационными издержками в действующих сетях.

4. Для обеспечения работы этих устройств в электроэнергетической системе (за исключением случаев локального их применения в связке: измерительный модуль - "интеллектуальное" звено - исполнительный элемент) необходимо создание специальной трансляционной сети, через которую может осуществляться сбор измерительной информации на диспетчерские или другие принимающие и обрабатывающие информацию пункты.

Техническим результатом при создании устройства для контроля электроэнергетических систем является широкий частотный диапазон измерений, отсутствие ограничений на его использование по классу напряжения сети, автономного и безопасного в эксплуатации, с уменьшенным временем подключения к высоковольтному сетевому проводу и не требующего создания специальной трансляционной сети для сбора измерительной информации.

Технический результат в устройстве для контроля электроэнергетических систем, содержащем подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, достигается тем, что вышеуказанный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока и (или) электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения, дополнительно содержит блок вторичного электропитания; подключенные к блоку вторичного электропитания магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и (или) электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором; активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и (или) пассивным преобразователем сетевого напряжения, а также с блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и (или) оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации; а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и параллельный ему демпфирующий резистор.

Существо изобретения заключается в том, что в предлагаемом высоковольтном измерительном модуле благодаря введению в электрическую схему высоковольтной части измерительного модуля низковольтных питающих трансформаторов тока и (или) напряжения и сформированного на их основе источника вторичного электропитания достигается возможность выполнения активных преобразований над аналогами сетевых тока и (или) напряжения, необходимых для формирования и передачи на внешние устройства сигналов измерительной информации с радиочастотной и (или) оптической развязками. Особенностью предлагаемого устройства является также наличие в его составе двух самостоятельно реализуемых частей: головной измерительной части, содержащей все элементы, относящиеся к формированию сигналов измерительной информации, и помещаемой в электрический экран, находящийся под сетевым потенциалом, и контактирующего с землей высоковольтного опорного конденсатора, на который приходится практически весь перепад высокого напряжения сети. При этом вследствие малости напряжения, приходящегося на головную измерительную часть, резко снижаются требования к электрической прочности изоляции первичных преобразующих элементов, что в свою очередь позволяет расширить полосу измерений до нескольких мегагерц, чего вполне достаточно для контроля за переходными процессами в электроэнергетических системах.

Присутствие в головной измерительной части предлагаемого устройства источника вторичного электропитания полностью устраняет препятствия для реализации таких видов передачи сигналов измерительной информации, формируемых на высокой стороне устройства, которые обеспечивают гальваническую развязку с внешними приемными устройствами, располагающимися на низкой стороне, посредством использования радиочастотного и (или) оптического каналов. Кроме того, появляется возможность непосредственного контроля тока в сетевом проводе, а не в шунте-отводе от него, как это делается в прототипе, что снимает проблему обеспечения высококачественного и стабильного гальванического контакта измерительного модуля с сетевым проводом, повышает точность измерений тока, упрощает и ускоряет процедуру подключения модуля к сети. Принятое в предлагаемом устройстве деление на две функционально и конструктивно самостоятельные части позволяет унифицировать их и на этой основе, даже имея электрическим пределом монолитной конструкции опорного конденсатора напряжение сети среднего класса 35-46 кВ, последовательным их соединением создавать измерительные модули на напряжение 110-220 кВ и выше.

Блок-схема вариантов реализации предлагаемого высоковольтного измерительного модуля (ВИМ) представлена на фиг. 1 - 3. Он, в частности, содержит пассивный преобразователь сетевого тока 1, например трансформатор тока типа пояса Роговского; пассивный преобразователь сетевого напряжения, состоящий из высоковольтного опорного конденсатора 2 и низковольтного плеча, например, состоящего из параллельно соединенных конденсатора 3 и цепочки из двух последовательных резисторов 4 и 5; низковольтный питающий трансформатор тока 6, низковольтный питающий трансформатор напряжения 7; дроссель 8; фильтрующий конденсатор 9; демпфирующие резисторы 10; блок вторичного электропитания 11; активный преобразователь сигналов измерительной информации 19, например, включающий в себя согласующие устройства 12, электронный коммутатор 13, фильтр нижних или верхних частот 14, преобразователь аналогового сигнала в электрический код 15, передатчик 16 с радиочастотным 17 и оптическим 18 выходами, электрический экран 20.

Предлагаемое устройство в приведенной на фиг. 3 реализации работает следующим образом. Переменные ток, протекающий по сетевому проводу, и напряжение между сетевым проводом и землей с помощью соответственно пассивного преобразователя сетевого тока 1 и пассивного преобразователя сетевого напряжения - двухкаскадного высоковольтного делителя, состоящего из активно-емкостных элементов 2, 3, 4 и 5, преобразуются в их низковольтные электрические аналоги - сигналы измерительной информации, выделяемые на нагрузках в согласующих устройствах 12. Величины конденсаторов 2 (C₂) и 3 (C₃) - первый каскад деления, а также сопротивления резисторов 4 (R₄) и 5 (R₅) - второй каскад деления выбираются из условий обеспечения требуемой величины общего коэффициента деления высоковольтного делителя

и его частотной независимости K_дел(f) = const.

Последнее удовлетворяется при выполнении соотношения
C₂R_ут~ C₃(R₄+R₅) ≫ 1/2πf_н;
где R_ут - сопротивление утечки опорного конденсатора 2;
f_н - нижняя граничная частота полосы частот ВИМ.

Кроме того, мощность, пропускаемая конденсаторами 2 и 3 на промышленной частоте, должна быть достаточна для запитки ВИМ без понижения точности измерения сетевого напряжения. Или применительно к питающему трансформатору напряжения 7 это требование выражается в том, чтобы переменная (определяемая переменной нагрузкой) часть потребляемой мощности P_пер, отбираемой трансформатором 7 из цепи высоковольтного делителя сетевого напряжения, не превышала реактивной мощности Q, циркулирующей в цепи делителя на промышленной частоте, умноженной на допустимую относительную погрешность измерения сетевого напряжения δu_c
P_пер≤ δu_cQ.
Тогда составляющая погрешности измерений δP_пер, обусловленная подключением к цепи высоковольтного делителя низковольтного питающего трансформатора 7, равная

не превысит 0,5δu_c. Так, например, для сети номинальным напряжением U_с= 35 кВ при средней стандартной величине емкости опорного конденсатора 2 - C₂= 5000 пФ и требуемой погрешности измерений сетевого напряжения δu_c= 1% верхний предел величины P_пер будет составлять

чего вполне достаточно для организации питания активного преобразователя сигналов измерительной информации 19. Устройства 12 в активном преобразователе измерительной информации 19 выполняют функции гальванической развязки и согласования импедансов пассивных преобразователей сетевых тока и напряжения и последующих элементов цепи преобразования. Электронный коммутатор, работая с заданной периодичностью, подключает выходы устройств 12 к фильтру 14, попеременно подавая на его вход электрические аналоги сетевых тока и напряжения. Фильтр 14 в зависимости от назначения ВИМ (контроль параметров тока и напряжения промышленной частоты или контроль характеристик переходного процесса в сети) выделяет из поступающего на его вход аналогового сигнала низкочастотную или высокочастотную составляющие. С выхода фильтра 14 аналоговый сигнал поступает в устройство 15, преобразующее его параметры в электрический (в частности импульсный) код. Закодированный сигнал, содержащий измерительную информацию, подается на передатчик 16, где он модулирует генерируемые передатчиком радионесущую и световую частоты. Преобразованные таким образом сигналы измерительной информации поступают на радиочастотный 17 и оптический 18 выходы ВИМ, с которых измерительная информация по радиочастотному и оптическому каналам соответственно может транслироваться к приемнику. Функционирование активных преобразовательных элементов, входящих в состав ВИМ, обеспечивается блоком вторичного электропитания 11, который вырабатывает необходимые питающие напряжения. Блок вторичного электропитания 11 через низковольтный питающий трансформатор тока 6 подключается к сетевому проводу и через низковольтный питающий трансформатор напряжения 7 к цепи высоковольтного делителя. Использование в устройстве ВИМ, в частности, сочетания питающих трансформаторов обоих типов 6 и 7, взаимно дополняющих друг друга, позволяет и в случае холостого хода и в аварийной ситуации (короткого замыкания) в высоковольтной сети сохранять работоспособность ВИМ. При полном отключении участка сети, на котором функционирует ВИМ, блок вторичного электропитания 11, например, за счет энергии предусматриваемых в нем аккумулирующих элементов обеспечивает кратковременную работоспособность ВИМ, достаточную для передачи параметров тока и напряжения, характеризующих последнее состояние данного участка сети. Фильтрующий конденсатор 9 шунтирует первичную обмотку трансформатора 7 по высокой частоте, так что с учетом малости его реактивного сопротивления (десятки Ом) на промышленной частоте результирующий импеданс этого участка цепи оказывается достаточно низким для того, чтобы не влиять на характеристики высоковольтного делителя во всей рабочей полосе частот ВИМ. Демпфирующий резистор 10 сглаживает частотную характеристику этого делителя. Все элементы ВИМ за исключением опорного конденсатора 2 помещаются в электрический экран 20, благодаря чему электрически и конструктивно формируется измерительная головная часть ВИМ, защищенная от эфирных помех. Для снижения наводок промышленной частоты на элементы головной измерительной части ВИМ и исключения колебаний ("плавания") потенциала экрана 20 в электрическом поле сетевого провода он гальванически с помощью дросселя 8 и демпфирующего резистора 10 соединяется с сетевым проводом. Опорный конденсатор 2, входя в состав высоковольтного делителя напряжения, выполняет также функцию отделения высоковольтной части ВИМ от земли и, являясь конструктивно завершенным высоковольтным элементом, способен самостоятельно выдерживать не только номинальное напряжение сети, но и возможные перенапряжения, возникающие в электроэнергетической системе. Измерительная головная часть модуля крепится на опорном конденсаторе 2, причем экран 20, находящийся под высоким потенциалом относительно земли и нулевым относительно сетевого провода, отделяется от верхнего электрода конденсатора 2 изолятором. При необходимости полость внутри экрана 20 заполняется диэлектрическим компаундом, предохраняющим элементы головной части от воздействия влаги. В другой возможной конфигурации работа предлагаемого устройства может быть построена по двум независимым цепям преобразования: цепи преобразования аналога сетевого тока и отдельно цепи преобразования аналога сетевого напряжения; в этом случае элементы 14 - 18, входящие в состав активного преобразователя сигналов измерительной информации 19, присутствуют в каждой из этих цепей, а элемент 13 (электронный коммутатор) из его состава исключается.

С выхода ВИМ радиочастотные сигналы измерительной информации могут поступать в ЛЭП и транслироваться благодаря ее направляющим свойствам до пункта их приема. Инжекция в ЛЭП и отвод радиочастотных сигналов из ЛЭП осуществляются с помощью высоковольтных модулей присоединения, принцип работы которых подробно описан в [4].

Таким образом, техническим результатом от использования заявляемого устройства для контроля электроэнергетических систем является возможность повсеместного дистанционного контроля за состоянием электроэнергетических систем по параметрам тока и напряжения, включая контроль за переходными процессами в этих системах, причем заявляемое устройство не имеет ограничений на класс напряжения сети, работает автономно за счет энергии, отбираемой из высоковольтной части контролируемых электроэнергетических систем, безопасно в эксплуатации и не требует специальной трансляционной сети для сбора измерительной информации.

Источники информации:
1. Дорошев К.И. Выключатели и измерительные трансформаторы в КРУ 6 - 220 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 136 - 146.

2. Bjarme M. and Jchuston P.M. Optical instrument transformers forcurrent and voltage. ABB Relays AB/HD, 1994 12/30, p. 380-384.

3. Lindsey K.E. Apparatus and method for sensing power liue conditions. Patent Number: 4.823.022, date of patent: Apr.l8, 1989, Int.CL - H 01 H 3/26, U.S.CL - 307/149.

4. Микуцкий Г. В. Устройства обработки и присоединения высокочастотных каналов. - М.: Энергия, 1974, с. 106 - 158.

Изобретение относится к устройствам для дистанционного контроля за параметрами тока и напряжения в высоковольтной части электроэнергетических систем. Технический результат от использования: создание устройства контроля за состоянием электроэнергетических систем по параметрам тока и напряжения на различных их участках, включая контроль за переходными процессами в этих системах, без ограничений на класс напряжения сети, работающего автономно, безопасного в эксплуатации и не требующего создания специальной трансляционной сети для сбора измерительной информации. Устройство для контроля электроэнергетических систем содержит подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения. Высоковольтный измерительный модуль дополнительно содержит блок вторичного электропитания, подключенные к блоку вторичного электропитания магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и/или пассивным преобразователем сетевого напряжения и блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и параллельный ему демпфирующий резистор. 3 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для контроля электроэнергетических систем, содержащее подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока, отличающееся тем, что высоковольтный измерительный модуль дополнительно содержит блок вторичного электропитания, подключенный к блоку вторичного электропитания, магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и с блоком вторичного элекропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, причем все элементы высоковольтного измерительного модуля помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и демпфирующий резистор. 2. Устройство для контроля электроэнергетических систем, содержащее подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения, отличающееся тем, что высоковольтный измерительный модуль дополнительно содержит блок вторичного электропитания, подключенные к блоку вторичного электропитания магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого напряжения и с блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и демпфирующий резистор. 3. Устройство для контроля электроэнергетических систем, содержащее подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока и электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения, отличающееся тем, что высоковольтный измерительный модуль дополнительно содержит блок вторичного электропитания, подключенные к блоку вторичного электропитания магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и/или пассивным преобразователем сетевого напряжения, а также с блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и демпфирующий резистор.