ИЗМЕРИТЕЛЬ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА Российский патент 2004 года по МПК G01R35/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для дистанционного измерения метрологических характеристик трансформаторов тока в одно- и трехфазных сетях высокого напряжения.

Основные метрологические характеристики трансформаторов тока - токовую и угловую погрешности измерения тока определяют дифференциально-нулевым методом, в котором в настоящее время известны три основных варианта исполнения измерителей метрологических характеристик трансформаторов тока [1].

В двух из них применяются образцовые трансформаторы тока и прецизионные компараторы для измерения параметров вторичных токов поверяемого и образцового трансформаторов тока при заданных значениях первичного тока и вторичной нагрузки [1, 4.2, черт.1, 3].

Применение этих двух вариантов исполнения измерителей метрологических характеристик трансформаторов тока ограничено током определенного уровня, выше которого резко возрастают вес, габариты и стоимость образцовых трансформаторов тока, а также возникают непреодолимые трудности с их периодической поверкой.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является третий вариант построения измерителя метрологических характеристик трансформаторов тока, выполненный на основе прецизионного компаратора первичного и вторичного тока без использования образцовых трансформаторов тока [1, 4.2, черт.2] .

Недостатком этого варианта исполнения является то, что прецизионные компараторы, рассчитанные на большие уровни токов, имеют большие габариты и вес, не приспособлены ни для дистанционного управления процессом измерения метрологических характеристик трансформаторов тока, ни для их размещения на месте эксплуатации поверяемых трансформаторов тока. Замена таких компараторов тока на малогабаритные и легкие прецизионные измерители параметров тока устраняет указанные недостатки лишь частично.

Остальные недостатки измерителей метрологических характеристик трансформаторов тока устраняются путем их полной модернизации, при которой из ранее применяемых элементов остаются неизменными только стационарно установленные на месте эксплуатации элементы, а именно - входная и выходная шины тока, поверяемый трансформатор тока и измеритель параметров тока. При этом, для реализации цели изобретения, в измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока вводится ряд новых элементов в указанном включении.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- обеспечение дистанционного управления процессом измерения метрологических характеристик трансформаторов тока на месте их эксплуатации;
- повышение точности измерения;
- снижение стоимости, массы и габаритов устройства.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока, содержащий входную и выходную шины источника тока, последовательно соединенные между собой первичной обмоткой поверяемого трансформатора тока, вторичная обмотка которого связана с измерителем параметров тока, введены основной и вспомогательный преобразователи тока, причем первичная обмотка трансформатора основного преобразователя тока через токоограничивающий резистор подключена параллельно первичной обмотке поверяемого трансформатора тока, а первичная обмотка трансформатора вспомогательного преобразователя тока подсоединена параллельно участку выходной шины тока, при этом обмотки возбуждения трансформаторов основного и вспомогательного преобразователей тока соединены с дифференциальными входами соответствующих времяимпульсных модуляторов, парафазные выходы которых подключены к дифференциальным входам демодуляторов, парафазные токовые выходы которых связаны с компенсирующими обмотками соответствующих трансформаторов основного и вспомогательного преобразователя токов, а потенциальные выходы демодуляторов и выход измерителя параметров тока соединены с соответствующими сигнальными входами трехканального аналого-цифрового преобразователя, выходная шина которого связана через первое запоминающее устройство с контроллером, выходные шины данных которого подключены через второе запоминающее устройство к входу приемопередатчика и к входу цифроаналогового преобразователя соответственно, выход которого соединен с входом буферного усилителя, парафазные выходы которого связаны с первичной обмоткой согласующего трансформатора тока, вторичная обмотка которого параллельно или последовательно соединена со вторичной обмоткой поверяемого трансформатора тока, кроме того, выходы контроллера соединены соответственно с входами синхронизации первого и второго запоминающих устройств и управляющим входом соединенного с антенной приемопередатчика, низкочастотный выход которого связан с управляющим входом контроллера.

На чертеже приведена структурная схема измерителя метрологических характеристик трансформаторов тока.

Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока содержит входную 1 и выходную 2 шины источника тока, поверяемый трансформатор 3 тока с первичной 4 и вторичной 5 обмотками, измеритель 6 параметров тока, согласующий трансформатор 7 тока с первичной 9 и вторичной 8 обмотками, буферный усилитель 10, токоограничивающий резистор 11, вспомогательный измерительный преобразователь 12 тока, состоящий из трансформатора 13 с компенсирующей 14, первичной 15 и возбуждения 16 обмотками, время-импульсного модулятора 17 и демодулятора 18, основной измерительный преобразователь 19 тока, состоящий из трансформатора 20 с обмотками возбуждения 21, первичной 22 и компенсирующей 23, время-импульсного модулятора 24 и демодулятора 25, аналого-цифровой преобразователь 26 с цифровой шиной данных 27, запоминающее устройство 28 результатов измерения с цифровой шиной данных 29, контроллер 30 вычисления параметров поверяемого трансформатора тока и синхронизации устройства в целом с цифровыми шинами данных 31 и 36, запоминающее устройство 32 вычисления параметров поверяемого трансформатора тока с шиной 33 данных, приемопередатчик 34, приемопередающая антенна 35 и цифроаналоговый преобразователь 37.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на прецизионном измерении реакции поверяемого трансформатора тока (ПТТ) на воздействие тестового токового сигнала, вычислении по полученным данным метрологических характеристик ПТТ и передаче в цифровом виде на удаленный пункт их регистрации и обработки, с которого производится дистанционное управление работой измерителя метрологических характеристик (ИМХ) трансформаторов тока (ТТ).

Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока работает следующим образом.

Входной ток I_вx через входную 1 и выходную 2 шины источника тока, протекая через первичную обмотку 4 ПТТ 3, наводит в его вторичной обмотке 5 пропорциональный ток, приведенный к величине, удобной для измерения с помощью стандартных измерителей 6 параметров тока.

Для измерения реакции ПТТ 3 на тестовые воздействия его вторичная обмотка 5 последовательно или параллельно соединена со вторичной обмоткой 8 согласующего токового трансформатора (СТТ) 7, на первичную обмотку которого поступает сформированный буферным усилителем 10 тестовый токовый сигнал.

Параметры тестового тока задаются контроллером 30 вычисления метрологических характеристик ПТТ и синхронизации устройства в целом, выходная цифровая информация с которого по шине данных 36 поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 37, аналоговое выходное напряжение которого усиливается по току буферным усилителем 10 и через СТТ 7 воздействует на ПТТ 3.

Реакция ПТТ 3 на воздействие тестового тока измеряется основным 19 и вспомогательным 12 прецизионными измерительными преобразователями тока (ИПТ) и измерителем 6 параметров тока, выходные напряжения которых поступают на входы трехканального (или коммутируемого) аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 26, цифровая информация с выхода которого по шине данных 27 поступает на вход первого запоминающего устройства (ЗУ) 28, введенного в ИМХ ТТ для хранения в цифровом виде результатов измерения преобразователей 19 и 12 тока и измерителя 6 параметров тока. Цифровые данные ЗУ 28 используются контроллером 30 для расчета метрологических характеристик и параметров первичного и тестового токов.

Результаты расчетов с цифрового выхода контроллера 30 по шине данных 31 записываются во второе ЗУ 32 и затем, по команде контроллера 30, по шине данных 33 передаются на вход модуляции передающей части приемопередатчика 34, который осуществляет передачу полученных цифровых данных на удаленный диспетчерский пункт регистрации и обработки метрологических характеристик ПТТ и параметров первичного тока.

Диспетчерский пункт обеспечивает также дистанционное управление работой ИМХ ТТ передачей на приемную часть его приемопередатчика 34 команд управления, коррекции и внешней синхронизации.

Точность измерения метрологических характеристик ПТТ в основном определяется точностью применяемых в устройстве основного и вспомогательного ИПТ, поэтому к ним как к образцовым средствам измерения (ОСИ) предъявляются особо жесткие требования, в особенности к их метрологическим характеристикам.

В отличие от измерительных ТТ в ИПТ точность и стабильность метрологических характеристик ничем не ограничена, реально они определяются возможностью используемых вычислительных средств и квалификацией разработчика.

Анализ состояния находящихся в эксплуатации различного вида ТТ в энергосистемах показывает, что с увеличением срока их службы увеличивается полная погрешность измерения тока, так как растут обе ее составляющие (основные метрологические характеристики) токовая и угловая погрешности измерения, уровень которых в основном определяется характеристиками материала магнитопровода, током первичной обмотки и параметрами нагрузки вторичной обмотки ТТ.

Процесс старения и изменения характеристик материала магнитопровода ТТ носит случайный характер, поэтому необходимо периодически контролировать метрологические характеристики ТТ в реальных условиях эксплуатации, поскольку проведение периодической поверки в лабораторных условиях практически не реально (большая масса и габариты, необходимость отключения и демонтажа участка энергосистемы, отсутствие необходимой поверочной аппаратуры и оборудования), да и значение полученных в лаборатории результатов измерений не будет соответствовать аналогичным измерениям на месте эксплуатации.

Поверка ТТ на месте их установки в энергосистему при помощи существующего оборудования очень сложная задача, а для крупногабаритных и тяжелых ТТ, до создания малогабаритных прецизионных ИПТ [2-5] и ИМХ ТТ на их основе было неразрешимой проблемой.

Структура и принцип действия основного 19 и вспомогательного 12 ИПТ совершенно одинаковы, поэтому достаточно рассмотреть их работу на примере основного ИПТ.

Ток, протекающий через первичную обмотку 22 ферромагнитного трансформатора (ФТ) 20 основного ИПТ 19, создает в сердечнике магнитное поле, пропорциональное силе этого тока.

Обмотка возбуждения 21 ФТ 20 является времязадающей цепью для времяимпульсного преобразователя (ВИП) 24, представляющего по сути самовозбуждающийся двухтактный генератор широтно-импульсного модулированного (ШИМ) напряжения.

Амплитуда ШИМ напряжения U_ш - постоянная величина и определяется источником питания, частота следования импульсов U_ш тоже имеет постоянную величину, которую выбирают на несколько порядков выше частоты тока, воздействующего на первичную обмотку 22 ФТ 20, а длительность импульсов U_ш определяется индуктивным сопротивлением обмотки возбуждения 21 ФТ 20, величина которого изменяется пропорционально изменению магнитного поля в сердечнике ФТ 20.

Высокая частота следования импульсов U_ш способствует неискаженному выделению из U_ш информации об амплитудных, частотных и фазовых параметрах и характеристиках измеряемых токов, по которым определяется реакция ПТТ на тестовое воздействие.

Для работы с несинусоидальными первичными токами в ВИП целесообразно использовать ШИМ третьего рода (ШИМ-3), в котором выборка дискретных значений входного сигнала проводится в течение времени, равного интервалу формирования выходного импульса.

Напряжение U_ш с парафазных выходов ВИП 24 поступает на дифференциальные входы демодулятора (ДМ) 25, демодулированное напряжение с потенциального выхода которого поступает на один из входов АЦП 26, а парафазные токовые выходы ДМ 18 нагружены на компенсирующую обмотку 23.

Ток, протекающий через компенсирующую обмотку 23, пропорционален амплитуде и противоположен по знаку току, протекающему через первичную обмотку 22. Созданные этими токами магнитные поля имеют противоположные направления и вычитаются в сердечнике ФТ 20, обеспечивая тем самым глубокую отрицательную обратную связь (ООС) по току, необходимую для стабилизации и улучшения параметров и характеристик ИПТ 19.

Благодаря этому результирующее магнитное поле в сердечнике ФТ 20 в любых условиях (включая перегрузку по первичному току) стремится к нулю, что значительно увеличивает динамический диапазон измеряемых токов, расширяет диапазон рабочих частот ИПТ, улучшает линейность амплитудной характеристики и значительно снижает вес и габариты ФТ.

Глубокая ООС превращает ИПТ в следящую систему автоматического регулирования (CAP), благодаря чему он легко адаптируется к любым входным воздействиям и приобретает повышенную устойчивость к дестабилизирующим факторам.

Для снижения погрешности измерения метрологических характеристик ТТ необходима высокая чувствительность ИПТ к входному воздействию. Она обеспечивается большой крутизной преобразования информации о входном воздействии в длительность формируемых ВИП импульсов напряжения U_ш.

Основной ИПТ 19 предназначен для измерения параметров первичного (ток нагрузки) и вторичного тестового тока и их возможных комбинаций, протекающих по первичной обмотке ПТТ 3 и первичной обмотке 22 ФТ 20.

Первичная обмотка 22 ФТ 20 подключена параллельно первичной обмотке 4 ПТТ 3 через токоограничивающий резистор 11 (точки "в" и "г"), подбором величины сопротивления которого задают необходимую чувствительность основного ИПТ 19 к любым сочетаниям уровней первичного и тестового токов. При работе с небольшими токами вместо резистора 11 к точкам "в" и "г" может быть подключена перемычка, в этом случае будет реализована максимальная чувствительность ИПТ 19.

Наведенный в первичной обмотке 4 ПТТ 3 вторичный тестовый ток замыкается через токоограничивающий резистор 11 на первичную обмотку 22 ФТ 20. Суммарное значение сопротивлений токоограничивающего резистора 11 и первичной обмотки 22 на много порядков меньше суммарного сопротивления токовых шин 1 и 2 и их внешней нагрузки, поэтому тестовым током в этих шинах можно пренебречь без ущерба для измерения первичного тока.

Вспомогательный ИПТ 12 предназначен для прецизионного измерения параметров "чистого" первичного тока, в котором полностью исключается "паразитное" влияние тестового тока любого уровня на результаты измерения.

Первичная обмотка 15 ФТ 13 вспомогательного ИПТ 12 подключена параллельно участку токовой шины (входной 1 или выходной 2 одинаково) к точкам "в" и "б", поэтому в обмотку 15 ответвляется небольшая часть первичного тока, протекающего по шинам 1 и 2. Доля этого тока и чувствительность ИПТ 12 регулируются выбором расстояния между точками "а" и "б", при их сближении доля тока и чувствительность уменьшаются, при удалении растут.

Измеритель 6 определяет реакцию вторичной обмотки 5 ПТТ 3 на воздействие различных комбинаций первичного и тестового токов, которая в виде информации о параметрах тока обмотки 5 используется для расчета метрологических характеристик ПТТ.

Аналоговая информация снимается с выходов измерителя 6 параметров тока, ИПТ 12 и ИПТ 19 после аналого-цифрового преобразования и промежуточного запоминания поступает на обработку в контроллер 30.

Этой информации вполне достаточно для вычисления метрологических характеристик ПТТ, для определения параметров первичного тока, для формирования оптимальных тестовых токов и для стабилизации параметров элементов по тестовому сигналу.

Контроллер 30 осуществляет не только вычисление метрологических характеристик, управление и синхронизацию работы ИМХ ТТ, но одновременно является регулятором следящей CAP по уровню тестового сигнала, благодаря чему достигается высокая стабильность характеристик большинства элементов ИМХ ТТ. Не охвачены петлей регулирования только ИПТ 12, второе ЗУ 32 и приемопередатчик 34 с антенной 35.

Инвариантность применяемых ИПТ к частоте измеряемых токов, высокая скорость измерения и обработки данных, цифровая коррекция и автостабилизация параметров основных элементов, управление всеми процессами в ИМХ ТТ с помощью контроллера позволяют дистанционно и без демонтажа ПТТ регистрировать на диспетчерском пункте не только метрологические характеристики ПТТ, но и параметры первичного тока, отражающие качество электроэнергии.

В итоге на диспетчерском пункте регистрируются следующие характеристики ПТТ и параметры протекающего через него первичного тока:
- токовая погрешность;
- угловая погрешность;
- отклонение тока от установленных значений;
- частота;
- коэффициент гармоник;
- коэффициент несинусоидальности и форма тока.

Ко всему этому малые габариты и вес, низкая стоимость и возможность установки ИМХ ТТ непосредственно на ПТТ без его демонтажа делают это устройство доступным и незаменимым образцовым средством измерения, многие функции которого могут значительно расширяться программно без аппаратного вмешательства.

Источники информации
1. ГОСТ 8.217-87. Трансформаторы тока. Методика поверки. 1, 4.2, черт. 1, 2, 3.

2. Аппараты высокого напряжения. Том 1. Трансформаторы тока и напряжения, измерительные устройства на их основе. Справочник. - М.: "Информэлектро", 1999 г.

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

4. Электронный счетчик электрической энергии. Патент РФ 2167427, МПК G 01 R 21/06, 20.05.2001 г.

5. Измерительный преобразователь. Патент РФ 2176088, МПК G 01 R 19/00, 19/20, 20.11.2001 г.

Использование: для дистанционного измерения метрологических характеристик поверяемых трансформаторов тока на месте их эксплуатации в одно- и трехфазных сетях высокого напряжения. Технический результат заключается в обеспечении дистанционного управления процессом измерения метрологических характеристик трансформаторов тока на месте их эксплуатации, повышении чувствительности и точности измерения и в снижении стоимости массы и габаритов устройства. Сущность изобретения заключается в применении малогабаритных прецизионных преобразователей тока для измерения реакции поверяемого трансформатора тока на тестовые токовые воздействия, а также в использовании оригинального алгоритма обработки результатов измерения и дистанционном управлении процессом поверки. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока, содержащий входную и выходную шины источника тока, последовательно соединенные между собой первичной обмоткой поверяемого трансформатора тока, вторичная обмотка которого связана с измерителем параметров тока, отличающийся тем, что введены основной и вспомогательный преобразователи тока, причем первичная обмотка трансформатора основного преобразователя тока через токоограничивающий резистор подключена параллельно первичной обмотке поверяемого трансформатора тока, а первичная обмотка трансформатора вспомогательного преобразователя тока подсоединена параллельно участку выходной шины тока, при этом обмотки возбуждения трансформаторов основного и вспомогательного преобразователей тока соединены с дифференциальными входами соответствующих времяимпульсных модуляторов, парафазные выходы которых подключены к дифференциальным входам демодуляторов, парафазные токовые выходы которых связаны с компенсирующими обмотками соответствующих трансформаторов основного и вспомогательного преобразователей токов, а потенциальные выходы демодуляторов и выход измерителя параметров тока соединены с соответствующими сигнальными входами трехканального аналого-цифрового преобразователя, выходная шина которого связана через первое запоминающее устройство с контроллером, выходные шины данных которого подключены через второе запоминающее устройство к входу приемопередатчика и входу цифроаналогового преобразователя соответственно, выход которого соединен с входом буферного усилителя, парафазные выходы которого связаны с первичной обмоткой согласующего трансформатора тока, вторичная обмотка которого параллельно соединена с вторичной обмоткой поверяемого трансформатора тока, кроме того, выходы контроллера соединены соответственно с входами синхронизации первого и второго запоминающих устройств и управляющим входом соединенного с антенной приемопередатчика, низкочастотный выход которого связан с управляющим входом контроллера.2. Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока по п.1, отличающийся тем, что вторичная обмотка согласующего трансформатора соединена последовательно с вторичной обмоткой поверяемого трансформатора тока.