УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ, СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2011 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цепях переменного тока, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.

Изобретение решает задачу измерений с точностью, достаточной для коммерческого учета электроэнергии.

Известен аналоговый измерительный преобразователь, выполненный по схеме компенсационного измерительного трансформатора переменного тока. Схема содержит трехобмоточный трансформатор тока, одна из вторичных обмоток которого подключена ко входу усилителя переменного напряжения, выход которого подключен к другой вторичной обмотке через резистор обратной связи [Л.Г.Журавин и др., Методы электрических измерений. Л.: Энергоатомиздат. 1990. с.54-56, рис.3.2].

Номинальное напряжение трансформаторов тока, применяемых для измерения тока, находится в пределах от 0,66 кВ до 750 кВ [ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия]. Недостатками высоковольтных трансформантов тока (более 6 кВ) являются большие габариты, масса и стоимость из-за наличия высоковольтной изоляции, а также низкая надежность. Высоковольтная изоляция затрудняет охлаждение обмоток трансформаторов тока, и они выходят из строя из-за импульсных перенапряжений на первичной обмотке относительно земли.

Известно основанное на цифровом методе измерений устройство гальванической развязки - измеритель нагрузки фидеров постоянного тока, предназначенное для измерения и передачи под потенциал земли любых нормированных аналоговых сигналов из электрических цепей, находящихся под высоким потенциалом [www.scitlibrary/rus/catalog/pages/417html - новые промышленные разработки, публикация от 12 сентября 2000 г.]. Устройство выполнено в виде конструкции с высоковольтным изолятором, через который под высокий потенциал передается энергия питания для преобразователя входного аналогового сигнала (с делителя или шунта) в частоту импульсов, а в обратном направлении по инфракрасному оптическому каналу передается частотно-импульсный сигнал. Устройство также содержит преобразователь частоты в напряжение для вывода аналоговых сигналов.

Измерение тока таким образом не дает представления о фазе синусоидального сигнала, так как имеется запаздывание, связанное со временем преобразования аналогового сигнала в цифровой код и обратно. При измерении переменного тока, особенно для коммерческого учета электроэнергии, вводится недопустимая погрешность рассогласования фаз тока и напряжения. Кроме того, для аналого-цифрового преобразователя необходимо использовать высоковольтный трансформатор питания. Для питания подобных устройств, как правило, используются высокочастотные трансформаторы, имеющие небольшие габариты и массу.

Сущность изобретения заключается в устройстве для измерения переменного тока в высоковольтной цепи, включающем датчик тока. аналого-цифровой преобразователь для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой код, оптический кабель для передачи цифрового кода под потенциал земли, цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифрового кода в сигнал, пропорциональный измеряемому току. В этом устройстве, согласно первому аспекту заявки на проводнике с измеряемым током установлен в качестве датчика тока низковольтный измерительный трансформатор тока, имеющий высокий класс точности, вторичная обмотка которого имеет контакт с высоковольтным проводником с измеряемым током и присоединена ко входу аналого-цифрового преобразователя, питаемого от источника постоянного напряжения, получаемого с использованием трансформации измеряемого тока. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя через устройство задержки подан на цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к приемнику сигнала. Корпуса цифроаналогового преобразователя и приемника сигнала находятся под потенциалом земли.

В частном случае реализации предложенного устройства для измерения переменного тока источник постоянного напряжения аналого-цифрового преобразователя выполнен в виде аккумуляторной батареи, которая подсоединена к зарядному устройству, питающемуся от низковольтного трансформатора тока, который имеет низкий класс точности и установлен в цепи измеряемого тока аналогично измерительному трансформатору тока, путем соединения вторичной обмотки с проводником с измеряемым током, а также с зарядным устройством для зарядки аккумуляторной батареи в момент протекания измеряемого тока.

Согласно второму аспекту заявки сущность изобретения заключается в способе измерения переменного тока в высоковольтной цепи путем преобразования измеряемого тока аналого-цифровым преобразователем, находящимся под потенциалом проводника с измеряемым током, в цифровой код и оптической передачи цифрового сигнала на цифроаналоговый преобразователь, находящийся под потенциалом земли, для преобразования цифрового кода в сигнал, пропорциональный измеряемому току, отличающемся тем, что переменный ток измеряют низковольтным трансформатором тока, находящимся под потенциалом проводника с измеряемым током, выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя, находящегося под потенциалом проводника с измеряемым током, после оптической передачи задерживают на время, компенсирующее угловую погрешность преобразования тока, возникающую в процессе приема-передачи измеряемого сигнала для обеспечения синфазности выходного сигнала, пропорционального измеряемому току, и самого измеряемого тока. При этом время задержки t_зад выбирают равным T-t_пр, где Т - период измеряемого тока, a t_пр - время преобразования измеряемого тока до выхода на приемник сигнала.

Поскольку в заявляемом устройстве измеряемый ток является переменным, энергия питания аналого-цифрового преобразователя, находящегося под высоким потенциалом цепи с измеряемым током, берется от проводника с измеряемым током с помощью второго низковольтного трансформатора, который находится под тем же потенциалом. Технический результат заключается в упразднении высоковольтной гальванической развязки между первичной и вторичными обмотками трансформатора и замене ее оптическим кабелем. При этом искусственно вводимая задержка выходного сигнала позволяет получить на выходе устройства сигнал, синфазный с измеряемым током. Преобразование величины аналогового сигнала в цифру и обратно может быть произведено с очень высокой точностью. Эта точность тем выше, чем больше время преобразования, которое заведомо меньше периода переменного тока промышленной частоты. Период измеряемого тока также может быть измерен очень точно.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства измерения переменного тока в цепи высокого напряжения, на фиг.2 приведены временные диаграммы основных сигналов:

a) измеряемый ток (сигнал с измерительного трансформатора тока);

б) выходной сигнал без задержки. Время преобразования t_пр характеризует угловую погрешность, вносимую элементами схемы;

в) выходной сигнал с введенной задержкой. Время задержки t_зад компенсирует угловую погрешность схемы измерения.

На проводнике 1 (фиг.1) с измеряемым током (в высоковольтной цепи) установлен низковольтный измерительный трансформатор тока 2 с высоким классом точности и низковольтный трансформатор тока 3 с низким классом точности. Вторичная обмотка измерительного трансформатора 2 имеет контакт с проводником 1 с измеряемым током и присоединена ко входу аналого-цифрового преобразователя 4, источником питания которого является аккумуляторная батарея 5, присоединенная к зарядному устройству 6, питаемому от вторичной обмотки низковольтного трансформатора 3, также имеющей контакт с высоковольтным проводником 1.

Выход аналого-цифрового преобразователя 4 соединен оптическим кабелем 7 с цифроаналоговым преобразователем 9 через устройство задержки 8, находящееся под потенциалом земли. Питание устройство задержки 8 и цифроаналоговый преобразователь 9 получают от стандартной сети собственных нужд (≈220 В), а выходной сигнал, пропорциональный измеряемому току и совпадающий с ним по фазе, поступает на вход приемника сигнала 10, например, на вход стандартного счетчика электроэнергии вместо вторичного тока стандартного трансформатора тока.

Сигнал А (фиг.2) с измерительного трансформатора тока 2, пропорциональный измеряемому току и совпадающий с ним по фазе, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 4, где преобразуется в цифровой код. Цифровой код передается с высокого потенциала на потенциал земли по оптическому кабелю 7. В случае преобразования его в аналоговый сигнал без дополнительной обработки, в результирующем сигнале (сигнал Б) неизбежно появится недопустимая угловая погрешность, связанная с запаздыванием выходного сигнала на время преобразований t_пр из аналога в цифру и обратно. Поэтому цифровой код поступает на вход цифроаналогового преобразователя 9 через устройство задержки 8, в функцию которого входит вычисление периода (частоты) измеряемого сигнала и введение искусственной задержки, равной разности между периодом измеряемого сигнала и временем преобразования последнего в цифровой код и обратно (t_зад=Т-t_пр). Аналоговый сигнал (сигнал В), поступающий с выхода цифроаналогового преобразователя 9 на вход приемника сигнала 10, пропорционален измеряемому току и совпадает с ним по фазе.

Таким образом, искусственно вводимая задержка на время менее одного периода позволяет получить выходной сигнал с высокой точностью, пропорциональный измеряемому току и совпадающий с ним по фазе.

Изобретение предназначено для использования в цепях переменного тока, находящихся под высоким потенциалом относительно земли. Устройство включает датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, оптический кабель для передачи цифрового кода под потенциал земли, цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифрового кода в сигнал, пропорциональный измеряемому току. В этом устройстве на проводнике с измеряемым током установлен в качестве датчика тока низковольтный измерительный трансформатор тока, имеющий высокий класс точности, вторичная обмотка которого имеет контакт с высоковольтным проводником с измеряемым током и присоединена ко входу аналого-цифрового преобразователя, питаемого от источника постоянного напряжения, получаемого с использованием трансформации измеряемого тока. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя через устройство задержки подан на цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к приемнику сигнала. Корпуса цифроаналогового преобразователя и приемника сигнала находится под потенциалом земли. Технический результат - повышение точности измерения тока. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения переменного тока в высоковольтной цепи, включающее датчик тока, аналого-цифровой преобразователь для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой код, цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифрового кода в сигнал, пропорциональный измеряемому току, отличающееся тем, что на проводнике с измеряемым током установлен в качестве датчика тока низковольтный измерительный трансформатор тока, имеющий высокий класс точности, вторичная обмотка которого имеет контакт с проводником с измеряемым током и присоединена ко входу аналого-цифрового преобразователя, который питается от источника постоянного тока, получаемого с использованием трансформации измеряемого тока, при этом аналого-цифровой преобразователь соединен оптическим кабелем с цифроаналоговым преобразователем через устройство задержки, находящееся под потенциалом земли, выход которого подан на приемник сигнала, корпус которого находится под потенциалом земли.

2. Устройство для измерения переменного тока по п.1, отличающееся тем, что источник постоянного напряжения для питания аналого-цифрового преобразователя выполнен в виде аккумуляторной батареи, которая подсоединена к зарядному устройству, питающемуся от низковольтного трансформатора тока, который имеет низкий класс точности и установлен в цепи измеряемого тока аналогично измерительному трансформатору тока, путем соединения вторичной обмотки с проводником с измеряемым током, а также с зарядным устройством для зарядки аккумуляторной батареи в момент протекания измеряемого тока.

3. Способ измерения переменного тока в высоковольтной цепи путем преобразования измеряемого тока аналого-цифровым преобразователем, находящимся под потенциалом проводника с измеряемым током, в цифровой код и оптической передачи цифрового сигнала на цифроаналоговый преобразователь, находящийся под потенциалом земли, для преобразования цифрового кода в сигнал, пропорциональный измеряемому току, отличающийся тем, что переменный ток измеряют низковольтным трансформатором тока, находящимся под потенциалом проводника с измеряемым током, выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя, находящегося под потенциалом проводника с измеряемым током, после оптической передачи задерживают на время, компенсирующее угловую погрешность преобразования тока, возникающую в процессе приема-передачи измеряемого сигнала для обеспечения синфазности выходного сигнала, пропорционального измеряемому току, и самого измеряемого тока.

4. Способ измерения переменного тока по п.3, отличающийся тем, что время задержки t_зад=T-t_пр, где Т - период измеряемого тока, t_пр - время преобразования измеряемого тока до выхода на приемник сигнала.