ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2004 года по МПК G01R19/00 G01R19/20 

Предлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения больших токов в одно- и трехфазных сетях высокого напряжения.

Известны датчики больших токов на основе пропорциональных делителей тока, одно из звеньев которых является первичной обмоткой измерительного трансформатора тока, вторичная обмотка которого соединена с измерительным резистором или с входом электронного измерительного модуля, содержащего операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный контроллер [1].

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому техническому решению являются компенсационные измерительные преобразователи тока, выполненные на основе измерительных трансформаторов тока, в которых первичный магнитный поток автоматически компенсируется магнитным потоком противоположного направления, при этом ток, создающий компенсирующее магнитное поле строго пропорционален входному току и достаточно легко измеряется [2, 3]. Недостаток таких измерительных преобразователей тока - это трудность реализации для измерения больших токов в высоковольтных сетях.

Предлагаемое решение позволяет усилить достоинства и устранить недостатки, присущие известным вариантам построения шунтовых и трансформаторных измерителей тока.

Техническим результатом предлагаемого решения является улучшение следующих технических и экологических характеристик:
- значительное расширение диапазона измеряемых токов;
- повышение точности измерения и надежности устройства;
- значительное снижение стоимости, массы и габаритов;
- значительное снижение уровня магнитных полей рассеяния;
- возможность периодической поверки доступным метрологическим оборудованием.

Технический результат достигается тем, что в измерительном преобразователе тока, содержащем входную и выходную шины тока, параллельно которым подключен делитель измеряемого тока из "n" параллельно соединенных токонесущих ветвей - четырехполюсных шунтов, резистивные выводы одного из которых соединены с измерительным модулем, выход которого является выходом устройства, упомянутый измерительный модуль устройства содержит "n" малогабаритных трансформаторов тока, разделенных по порядковым номерам на четную и нечетную группы, в которых первичная обмотка каждого трансформатора тока соединена с резистивными выводами соответствующего ей по порядковому номеру и группе четности шунта, а вторичные обмотки трансформаторов тока каждой из групп четности соединены последовательно и согласно, образуя две общие обмотки, которые замыкаются между собой через первичную обмотку нормирующего трансформатора тока, вторичная обмотка которого соединена с дифференциальными входами выполненного регулируемым усилителя, выход которого через компенсирующую обмотку нормирующего трансформатора тока и измерительный резистор соединен с корпусом, а точка соединения компенсирующей обмотки с измерительным резистором является выходом устройства и соединена с модулирующим входом передатчика, выход которого соединен с физической линией связи, а физическая линия связи приемника соединена через последовательно соединенные приемник и формирователь управляющего напряжения с управляющим входом регулируемого усилителя, при этом второй вход формирователя управляющего напряжения соединен с источником регулируемого напряжения.

На фиг. 1 приведена структурная схема измерительного преобразователя тока.

Измерительный преобразователь тока содержит входную 1 и выходную 2 шины тока, делитель 3 измеряемого тока, состоящий из "n" четырехполюсных шунтов 4 и измерительный модуль, состоящий из "n" малогабаритных трансформаторов 6 тока, каждый из которых имеет по первичной 5 и вторичной 7 обмотке, нормирующий трансформатор тока 8 с первичной 9, вторичной 11 и компенсирующей 10 обмотками, регулируемый усилитель 12, измерительный резистор 13, формирователь управляющего напряжения 14, передатчик 15, приемник 16, физическая линия 17 связи передатчика, выход устройства 18, физическая линия 19 связи приемника, источник 20 регулируемого напряжения.

Принцип действия измерительного преобразователя тока (ИПТ) основан на возможности максимального использования достоинств шунтов и трансформаторов тока (ТТ) и устранении или частичной компенсации их недостатков. Достичь такого результата можно за счет оптимального распределения измеряемого тока между шунтами и ТТ, для этого основной ток пропускается через шунты и только часть тока ответвляется в первичные обмотки ТТ. Кроме того, увеличение количества применяемых шунтов и ТТ позволяет снизить протекающие через них токи в десятки и сотни раз и значительно улучшить их технические и экологические характеристики (снизить поля рассеяния ТТ).

Измеряемый ток J₀ нагрузки электросети, протекающий через шины 1 и 2, через делитель 3 измеряемого тока, состоящий из набора "n" параллельно соединенных одинаковых четырехполюсных шунтов 4 и через присоединенные к резистивным выводам каждого шунта первичные обмотки 5 ТТ можно определить как:
J₀=n(J_ш +J_тр), (1)
где J_ш - ток, протекающий через шунт,
J_тp - ток, протекающий через первичную обмотку ТТ.

Ток J_тp равен

где Z_ш - сопротивление шунта,
Z_тp - полное сопротивление первичной обмотки ТТ.

К - отношение полного сопротивления первичной обмотки ТТ к величине сопротивления шунта.

Из выражений (1) и (2) определим ток J_тp

Так как величина К значительно больше единицы, выражение (3) примет более простую форму

где m - масштабный коэффициент, характеризующий долю тока J₀ в первичной обмотке ТТ.

Очевидно, что чем больше коэффициент "m", тем меньше ТТ, тем они легче, точнее, стабильнее и дешевле.

Например, уменьшение токовой и угловой погрешности измерения напрямую связано с уменьшением габаритов и увеличением количества витков первичной обмотки ТТ. В малогабаритном ТТ реализовать многовитковую первичную обмотку тонким проводом не составляет никаких проблем.

Однако нейтрализовать вредное действие индуктивного характера сопротивления первичной обмотки ТТ на погрешность измерения тока вышеизложенный метод не может, так как составляющие этой погрешности всегда имеют разные знаки: токовая - положительный, а угловая - отрицательный.

С этой и рядом других проблем прецизионного измерения тока можно справиться путем компенсации погрешности измерения известным методом противонамагничивания сердечников ТТ.

Для этого вторичные обмотки всех ТТ разделяют по порядковым номерам на четную и нечетную группы и, внутри своей группы четности, они соединяются последовательно, образуя из "n" вторичных обмоток две общие вторичные обмотки (четную обмотку - выводы "a" и "г" и нечетную - выводы "б" и "в", фиг.1), которые замыкаются между собой через малое сопротивление первичной обмотки нормирующего трансформатора тока (НТТ).

Для краткости ток первичных обмоток ТТ и созданное им магнитное поле назовем первичным, а ток вторичных обмоток и созданное им магнитное поле вторичным.

Вторичный ток ограничен сопротивлением первичной обмотки НТТ, однако созданное им вторичное магнитное поле вполне достаточно для компенсации (противонамагничивания) большей части первичного магнитного поля, что способствует значительному улучшению целого ряда технических характеристик ИПТ.

Например, противонамагничивание изменяет характер сопротивления первичных обмоток ТТ с индуктивного на активно-индуктивный с преобладанием активной составляющей сопротивления, что значительно снижает токовую и угловую погрешности измерения, значительно снижает магнитные поля рассеяния, устраняет взаимовлияние ТТ, расширяет диапазон измеряемых токов, повышает устойчивость к постоянной составляющей измеряемого тока, создает дополнительную возможность уменьшения веса и габаритов.

Дальнейшая обработка токового сигнала производится следующим образом. При протекании первичного тока через первичную обмотку НТТ в его вторичной обмотке наводится пропорциональное напряжение, которое усиливается регулируемым усилителем (РУ) 12 и поступает на компенсирующую обмотку 10 НТТ и измерительный резистор 13, при этом протекающий через компенсирующую обмотку 10 ток создает в НТТ 8 магнитное поле, противоположное по направлению магнитному полю, созданному током первичной обмотки 9.

Усиления РУ 12 вполне достаточно, чтобы во всех условиях измерения уравновесить магнитные поля, создаваемые в сердечнике НТТ токами первичной и компенсирующей обмоток. Это является необходимым условием для идеальной работы трансформатора переменного тока, которое позволяет реализовать высокий класс точности и стабильность измерения.

Включенный последовательно с компенсирующей обмоткой 10 НТТ измерительный резистор 13 служит простым преобразователем ток-напряжение.

Сопротивление этого резистора определяет крутизну вольтамперной характеристики преобразования первичного тока НТТ в выходное напряжение ИПТ, снимаемое с этого резистора. Одновременно это напряжение поступает на модулирующий вход передатчика, который по выбранной физической (радиочастотной, оптической, инфракрасной и др.) линии связи 17 передает текущую информацию о параметрах измеряемого тока в удаленную точку учета и регистрации измерений.

Калибровка, а при необходимости и поверка, ИПТ осуществляются изменением коэффициента передачи РУ 12 формирователем 14 управляющего напряжения.

Формирователь 14 по одному из своих входов управляется выходным напряжением приемника 16 дистанционных команд управления, поступающих на его вход по любой выбранной физической линии связи 19, а по другому входу управления формирователем 14 осуществляется непосредственно изменением уровня напряжения источника 20.

Включение в состав ИПТ передатчика 15 и приемника 16 позволяет управлять техническими характеристиками и значительно расширить функциональные возможности устройства. Так, например, соединив приемную и передающую физические линии связи с вычислительным средством, можно оптимизировать технические параметры ИПТ и превратить его в образцовое средство измерения, в анализатор качества электроэнергии и формирователь команд оперативной релейной автоматики защиты электросетей и электротехнического оборудования.

Таким образом, измерительный модуль ИПТ превращает простой шунтовой делитель тока 3 в прецизионное многофункциональное средство метрологического измерения.

Качество высоковольтной изоляции полностью определяется качеством изоляции первичной обмотки 9 НТТ 8 (точки "а" и "б" на фиг.1). Эта обмотка наматывается проводом с высоковольтной изоляцией. Других элементов с повышенными требованиями к изоляции в модуле нет.

Конструкция измерительного модуля может принимать любую удобную для размещения и присоединения к резистивным выводам шунтов 4 форму.

Для работы в неблагоприятной или агрессивной среде дополнительная герметизация измерительного модуля обеспечивается заливкой эпоксидной смолой в вакуумной среде.

Измерительный модуль может соединяться (и разъединяться) с резистивными выводами шунтов 4 делителя тока 3 через разъем (лучше, если он будет с нулевым усилием сочленения) и тогда он может сниматься, например, для поверки (без разрыва и отключения основной токовой цепи) специальным устройством съема и установки модуля. Это совершенно безопасная процедура, не снижающая надежность всей измерительной системы.

Параметры обычных трансформаторов тока, как номинальная предельная кратность первичного тока, электродинамическая и термическая стойкость и устойчивость к токам короткого замыкания, в измерительном модуле не столь критичны из-за значительного снижения сил их порождающих.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения; расширить диапазон измеряемых токов; значительно снизить уровень магнитных потерь полей рассеяния; существенно снизить стоимость, массу и габариты и повысить надежность измерительного преобразователя тока.

Источники информации
1. Патент США 4492919, МПК G 01 R 1/20, H 01 F 40/06, 08.01.95.

2. Трансформаторы тока. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М. и др. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1989, гл. 2, с.47-57.

3. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи. Андреев Ю.А., Абрамзон Г.В. - Л.: Энергия, 1979, гл. 2, с.48-52.

Использование: для прецизионного измерения токов в одно- и трехфазных сетях высокого напряжения. Технический результат заключается в повышении точности измерения, расширении диапазона измеряемых токов, снижении уровня магнитных полей рассеяния, снижении стоимости, массы и габаритов устройства и повышении надежности устройства. Измерительный преобразователь тока содержит входную и выходную шины тока, параллельно которым подключен делитель измеряемого тока из n параллельно соединенных токонесущих ветвей четырехполюсных шунтов, резистивные выводы которых соединены с соответствующими входами измерительного модуля, выход которого является выходом устройства. 1 ил.

Измерительный преобразователь тока, содержащий входную и выходную шины тока, параллельно которым подключен делитель измеряемого тока из n параллельно соединенных токонесущих ветвей - четырехполюсных шунтов и измерительный модуль, отличающийся тем, что измерительный модуль содержит n малогабаритных трансформаторов тока, разделенных по порядковым номерам на четную и нечетную группы, в которых первичная обмотка каждого трансформатора тока соединена с резистивными выводами шунта, соответствующего ему по группе четности и порядковому номеру, а вторичные обмотки трансформаторов тока каждой из групп четности соединены последовательно и согласно, образуя две общих вторичных обмотки, которые замыкаются между собой через первичную обмотку нормирующего трансформатора тока, вторичная обмотка которого соединена с дифференциальными входами выполненного регулируемым усилителя, выход которого через компенсирующую обмотку нормирующего трансформатора тока и измерительный резистор соединяется с корпусом, причем точка соединения компенсирующей обмотки с измерительным резистором является выходом устройства и соединена с модулирующим входом передатчика, выход которого соединен с физической линией связи, а физическая линия связи приемника соединена через последовательно соединенные приемник и формирователь управляющего напряжения с управляющим входом регулируемого усилителя, при этом второй вход формирователя управляющего напряжения соединен с источником регулируемого напряжения.