ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H01F38/28 G01R19/25 H02H3/08 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения с высокой точностью больших переменных токов в проводах, имеющих высокий потенциал относительно земли.

Известен измерительный трансформатор тока для измерения в высоковольтных цепях (патент РФ N 2097864 H 01 F 38/28, 1997 г.), содержащий первый трансформатор с первичной и вторичной обмоткой, причем первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, второй трансформатор, содержащий три обмотки, и усилитель, причем третья обмотка подсоединена между земляной шиной и входом усилителя, выход которого через вторую обмотку и резистор соединен с земляной шиной, причем первая обмотка второго трансформатора включена между выводами вторичной обмотки первого трансформатора, а точка соединения третьей обмотки второго трансформатора и резистора является выходом устройства.

Недостатком такого трансформатора является его сравнительно большая масса и невысокая точность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является измерительный трансформатор тока (см. Электрическая часть электростанций/ Под ред. С. В. Усова. -Л.: Энергия, 1987. - 556 с.), содержащий трансформатор с первичной и двумя независимыми вторичными обмотками, при этом первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, одна из вторичных обмоток подсоединена к схеме расщепления, а ее выход соединен с мостовой схемой выпрямления, причем последняя соединена с двумя светодиодами, подключенными к световоду, а другая из вторичных обмоток подключена к одному из двух светодиодов.

Недостатком прототипа является его большая масса, которая увеличивается при увеличении напряжения в цепи (при грубой оценке считается, что масса пропорциональна квадрату напряжения) и невысокая точность измерения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение массогабаритных показателей и увеличение точности измерения измерительного трансформатора тока.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в измерительном трансформаторе тока, содержащем первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, светодиод и световод, в отличие от прототипа введены усилитель, три резистора, вторая вторичная обмотка, сумматор токов, аналого-цифровой преобразователь, при этом первая вторичная обмотка первого трансформатора подсоединена между земляной шиной и инвертирующим входом усилителя, охваченным параллельной обратной связью через первый резистор, причем неинвертирующий вход усилителя соединен с земляной шиной, а вторая вторичная обмотка одним концом соединена с выходом усилителя, а вторым концом через второй резистор подключена на инвертирующий вход охваченного параллельной обратной связью через третий резистор сумматора токов, при этом неинвертирующий вход сумматора токов соединен с земляной шиной, а к выходу сумматора токов подключен аналого-цифровой преобразователь, соединенный в свою очередь со светодиодом, замкнутым на световод.

Кроме того, введен аналогичный первому второй трансформатор, содержащий одну первичную, три вторичных обмотки, два резистора и усилитель, при этом первая вторичная обмотка второго трансформатора последовательно включена со второй вторичной обмоткой первого трансформатора, причем выход первой вторичной обмотки второго трансформатора подключен через второй резистор на инвертирующий вход охваченного параллельной обратной связью через третий резистор сумматора токов, при этом неинвертирующий вход сумматора токов соединен с земляной шиной, вторая вторичная обмотка подсоединена между земляной шиной и усилителем, охваченным параллельной обратной связью через четвертый резистор, а третья вторичная обмотка одним концом подключена к выходу усилителя, а вторым, параллельно со вторым резистором, соединена через пятый резистор с сумматором токов, охваченным параллельной обратной связью через третий резистор, при этом выход сумматора токов подключен к аналого-цифровому преобразователю, выход которого замкнут на светодиод, причем последний соединен со световодом.

Кроме того, в качестве автономного источника электрического питания введены третий трансформатор с первичной и вторичной обмотками, два стабилитрона, выпрямительное устройство, фильтр низких частот, стабилизатор напряжения, при этом первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, вторичная обмотка замкнута на включенные встречно стабилитроны, к которым подключено выпрямительное устройство, которое в свою очередь подсоединено к фильтру низких частот, а выход последнего подключен к стабилизатору напряжения. Выход стабилизатора является выходом автономного источника питания.

Предлагаемый измерительный трансформатор тока размещается на высоковольтном проводе, относительно которого имеет плавающий потенциал. Информационный сигнал передается к потребителю по световоду (диэлектрическому) в виде световых импульсов.

Благодаря тому, что обмотки трансформатора тока имеют плавающий потенциал и между ними отсутствует существенная разность потенциалов, к изоляции разделяющий их цепи не предъявляется существенных требований и она может быть выполнена как у обычных не высоковольтных трансформаторов. В итоге масса трансформатора вместо сотен-тысяч килограмм становится равной нескольким десяткам килограммам. Высокое напряжение оказывается приложенным к световоду. Так как диэлектрическая прочность его обычно во много раз больше той напряженности электрического поля, которая будет наблюдаться в самой высоковольтной цепи, то пробоя диэлектрика не будет. Вследствие большой длины световода к удельной диэлектрической прочности его не предъявляется никаких специальных требований. Световод может содержать тонкую жилу светопроводящего волокна или быть выполненным полым. В любом из этих случаев масса световода будет небольшой, особенно если используется жила светопроводящего волокна. Диаметр световода будет определяться только его механической прочностью. Поэтому масса световода также не будет превышать нескольких килограмм.

Увеличение точности достигнуто за счет введения второго трансформатора с электронной коррекцией, аналогичного первому. Токи, получаемые от первого и второго трансформаторов, суммируются сумматором токов с преобразованием ток-напряжение, преобразуются в код с помощью аналого-цифрового преобразователя. Далее полученный код преобразуется с помощью светодиода в световые импульсы, которые направляются в световод, идущий к потребителю информации.

Внутри измерительного трансформатора тока имеется собственный источник питания, который работает от цепи измеряемого тока.

Существо устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема расположения предлагаемого измерительного трансформатора тока. На высоковольтном проводе 1 укреплен измерительный трансформатор тока 2, выход которого с помощью световода 3 подсоединен к входу приемника информации о величине измеряемого тока.

Предлагаемый трансформатор тока 2 имеет плавающее значение собственного потенциала, близкое к потенциалу высоковольтного провода 1, не имеет гальванических контактов с внешними устройствами и выполнен в виде самостоятельной автономной конструкции (см. фиг. 1).

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого измерительного трансформатора тока. Он содержит первый трансформатор T1, который имеет первичную обмотку 4, включенную в цепь измеряемого тока, первую вторичную oбмотку 5, подключенную между земляной шиной и инвертирующим входом усилителя 6 DA1, охваченного параллельной обратной связью через первый резистор 7 R1, причем неинвертирующий вход усилителя подключен к земляной шине, а его выход подключен к выводу второй вторичной обмотки 8 первого трансформатора T1 - обмотке обратной связи, подсоединенной таким образом, что магнитный поток, созданный в ней, уменьшал бы магнитный поток в магнитопроводе первого трансформатора и сигнал в обмотке 5, последовательно с которой включена первая вторичная обмотка 9 второго трансформатора T2, второй конец которой подключен к инвертирующему входу сумматора токов с преобразованием ток-напряжение 10 DA2 через второй резистор 11 R4, при этом сумматор токов с преобразованием ток- напряжение охвачен обратной связью через третий резистор 12 R5, а неинвертирующий вход его соединен с земляной тиной. Второй трансформатор T2 - аналогичен первому трансформатору T1. Он содержит первичную обмотку 13, первую вторичную обмотку 9, аналогичную обмотке 8, причем количество витков обмоток 8 и 9 одинаково, вторую вторичную обмотку 14, аналогичную обмотке 5, подключенную между земляной шиной и инвертирующим входом усилителя 15 DAS, аналогичного усилителю 6, который охвачен обратной связью через четвертый резистор 16 R2, причем неинвертирующий вход усилителя соединен с земляной шиной. Выход усилителя 15 подключен к обмотке обратной связи 17 - третьей вторичной обмотке второго трансформатора T2, аналогичной обмотке 8, второй конец которой подключен через пятый резистор 18 R3 к сумматору токов с преобразованием ток-напряжение 10, который преобразует сумму входящих в него через второй 11 и пятый 18 резисторы токов в напряжение. К выходу сумматора токов подключен аналого-цифровой преобразователь 19, выход которого замкнут на светодиод 20, а он в свою очередь соединен с приемником информации о величине измеряемого тока световодом 21. Третий трансформатор T3 с первичной обмоткой 22, вторичной обмоткой 23, которая замкнута на стабилитроны 24 VD1 и 25 VD2, включенные встречно. К стабилитронам подключено выпрямительные устройство 26, которое в свою очередь подсоединено к фильтру низких частот 27, а выход последнего подключен к стабилизатору напряжения 28. Выход стабилизатора является выходом третьего трансформатора - трансформатора питания.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем. Измеряемый ток i протекает по высоковольтному проводу, являющемуся первичной обмоткой первого, второго и третьего трансформаторов. Протекая через обмотку первого трансформатора он наводит в обмотке 5 ЭДС. Она усиливается усилителем 6 и создает в последовательно включенных обмотках 8 и 9 электрический ток, который уменьшает ЭДС в обмотке 5. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 6 ЭДС обмотки 5 стремится к нулю, а намагничивающая сила обмотки 8 практически уравновешивает намагничивающую силу обмотки 4. Ток обмотки 8 подается на резистор 11. Для второго трансформатора входным сигналом является погрешность преобразования тока первым трансформатором. Это обусловлено тем, что намагничивающие силы обмоток 9 и 13 направлены встречно. Если бы погрешность преобразования отсутствовала, то i · W₁₃ - i₈ · W₉= 0 (W_i - число витков i-обмотки) и ЭДС в обмотке 14 равна нулю. При наличии погрешности преобразования у первого трансформатора сигнал погрешности является входным для второго трансформатора. Он наводит в обмотке 14 ЭДС, которая усиливается усилителем 15. Усилитель 15 создает в обмотке обратной связи 17 ток, который уменьшает ЭДС обмотки 14. При большом коэффициенте усиления усилителя 15 ток обмотки 17 оказывается близким к току погрешности преобразования тока первым трансформатором (i₁₇≈ Δ i₈). Этот ток погрешности суммируется с током i₈. В итоге на вход преобразователя ток-напряжение подается сумма токов обмотки 8 i₈ и погрешности преобразования i₁₇. Если бы i₁₇ = Δ i₈, то погрешность преобразования тока отсутствовала бы полностью. Так как i₁₇ отличается от Δ i₈, то погрешность преобразования тока все же будет иметь место. Но это будет погрешность от погрешности. Поэтому роль ее будет незначительна. Благодаря второму трансформатору, в котором выделяется сигнал погрешности, который в дальнейшем суммируется (со знаком минус) с сигналом, имеющим погрешность, точность преобразования резко повышается. Поэтому на вход аналого-цифрового преобразователя 19 подается напряжение, полученное в результате бесконтактного преобразования тока, погрешность которого близка к нулю. С выхода аналого-цифрового преобразователя сигнал снимается в виде кода, который с помощью светодиода 20 преобразуется в световые вспышки. Этот свет передается к приемнику через световод 21. Так как аналого-цифровые преобразователи в настоящее время выполняются с большой точностью, то погрешность преобразования измерительного трансформатора тока будет малой, а светодиод и световод погрешностей не вносят. Таким образом, благодаря наличию существенных признаков достигается увеличение точности трансформатора.

При протекании измеряемого тока в обмотке 22 третьего трансформатора в обмотке 23 наводится ЭДС. При достижении ее значения уровня пробоя стабилитронов 24, 25 последние открываются. Через обмотку 23 потечет электрический ток, размагничивающий магнитопровод третьего трансформатора. С момента пробоя стабилитронов третий трансформатор из преобразователя ток-напряжение преобразуется в трансформатор тока. В итоге на стабилитронах 24, 25 будет меандр переменного напряжения, величина которого равна напряжению стабилизации. Это напряжение выпрямляется выпрямителем 26. Пульсации его сглаживаются фильтром низких частот 27. Напряжение питания микросхем стабилизируется с помощью стабилизатора напряжений 28. Таким образом, при протекании электрического тока в измерительной цепи он преобразуется в напряжение, питающее микросхемы и обеспечивающее их работу. В результате этого исключается необходимость гальванического соединения измерительного трансформатора тока с какими либо внешними устройствами и обеспечивается плавающий потенциал всех элементов внутри трансформатора тока.

Заявляемое устройство позволяет измерить большие переменные токи в высоковольтных линиях электропередачи. При этом оно имеет сравнительно малую массу и высокую точность.

Использование: в измерительной технике. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей и увеличении точности измерения. Измерительный трансформатор тока содержит первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, светодиод, световод. Введены два усилителя, пять резисторов. Кроме того, введен аналогичный первому второй трансформатор. В качестве автономного источника электрического питания введены третий трансформатор, два стабилитрона, выпрямительное устройство, фильтр низких частот, стабилизатор напряжения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Измерительный трансформатор тока, содержащий первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, светодиод и световод, отличающийся тем, что введены два усилителя, пять резисторов, вторая вторичная обмотка первого трансформатора, второй трансформатор, аналогичный первому, с первичной и тремя вторичными обмотками, причем число витков второй обмотки первого трансформатора, первой и третьей обмоток второго трансформатора одинаково, сумматор токов с двумя входами и преобразованием токов в напряжение, аналого-цифровой преобразователь, при этом первая вторичная обмотка первого трансформатора подключена между земляной шиной и инвертирующим входом усилителя первого трансформатора, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, неинвертирующий вход усилителя первого трансформатора соединен с земляной шиной, а выход через вторую вторичную обмотку первого трансформатора, первую вторичную обмотку второго трансформатора и второй резистор подключен к первому входу сумматоров тока с преобразованием тока в напряжение, вторая вторичная обмотка второго трансформатора подсоединена между земляной шиной и входом усилителя второго трансформатора, охваченным параллельной обратной связью через четвертый резистор, а третья вторичная обмотка одним концом подключена к выходу усилителя второго трансформатора, а вторым, параллельно со вторым резистором, соединена через пятый резистор с сумматором токов с преобразованием тока в напряжение, охваченным параллельной обратной связью через третий резистор, при этом выход сумматора токов с преобразователем тока в напряжение подключен к аналого-цифровому преобразователю, выход которого замкнут на светодиод, причем последний соединен со световодом. 2. Измерительный трансформатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве автономного источника электрического питания введены третий трансформатор с первичной и вторичной обмотками, два стабилитрона, выпрямительное устройство, фильтр низких частот, стабилизатор напряжения, при этом первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, вторичная обмотка замкнута на включенные встречно стабилитроны, к которым подключено выпрямительное устройство, которое, в свою очередь, подключено к фильтру низких частот, а выход последнего подключен к стабилизатору напряжения, при этом выход стабилизатора напряжения является выходом автономного источника питания.