УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного напряжения, преимущественно в электроэнергетических сетях 6 (10) кВ и выше.

Наиболее близким техническим решением является устройство, реализующее способ измерения переменного электрического тока и напряжения по патенту РФ №2222021, МПК G01R 15/24, G01R 19/00, 20.01.2004, в котором поляризованный световой сигнал пропускают, по меньшей мере, один раз через датчик, изменяющий поляризацию светового сигнала в зависимости от измеряемой величины, прошедший через датчик световой сигнал делят на пару взаимно ортогональных линейно-поляризованных составляющих. Дополнительно осуществляют деление светового сигнала на вторую пару взаимно ортогональных линейно-поляризованных составляющих, отличающуюся от первой угловой ориентацией или фазовым сдвигом, все составляющие преобразуют в нормированные по интенсивности электрические сигналы I₁, I₂ и I₃, I₄ соответственно, а измерительный сигнал М формируют из них с учетом угла ориентации или фазового сдвига между парами. Устройство для измерения переменного электрического тока или напряжения включает оптически связанные датчик, изменяющий поляризацию светового сигнала в зависимости от измеряемой величины, средство ввода в датчик поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала для измеряемой величины и определения по нему измеряемой величины.

Известное устройство имеет следующие недостатки:

- низкая надежность измерения из-за сильной зависимости параметров от состояния окружающей среды (прежде всего от температуры), обусловленной необходимостью использования датчика, изменяющего поляризацию светового сигнала в зависимости от измеряемой величины, которым, в случае измерения напряжения, является ячейка Керра, а также высокая стоимость из-за использования эффективных для измерения материалов;

- низкая точность измерений, обусловленная высокой погрешностью измерения из-за использования элементов, осуществляющих деление светового сигнала на пары взаимно ортогональных линейно-поляризованных составляющих, увеличивающих количество этапов преобразований, необходимых для измерения;

- высокая стоимость и габариты из-за существования гальванической связи между измерительной частью и индикатором (устройством сопряжения с объектом), находящимся под потенциалом низкого напряжения (земли), что обуславливает необходимость размещения устройства на громоздкой и, как правило, дорогой изоляционной конструкции, рассчитанной на класс напряжения сети;

- невозможность «бесшовной» интеграции устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики, в которую «входят автоматизированные системы управления в электроэнергетике (АСУЭ), автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии и мощности (АСКУЭ), «интеллектуальные сети» («smart grid»), из-за отсутствия соответствующих компонентов и блоков.

Задача изобретения - повышение надежности и точности измерений за счет исключения зависимости параметров от состояния окружающей среды, уменьшение габаритов и стоимости устройства, в том числе его монтажа и наладки, а также повышение удобства и гибкости решений по компоновке оборудования при возведении, реконструкции и реновации распределительных устройств (РУ) на электроэнергетических объектах (ЭО).

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, содержащее датчик напряжения, источник питания, аналого-цифровой преобразователь и внешнее устройство, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены последовательно соединенные микроконтроллер связи, содержащий аналого-цифровой преобразователь, аппаратура связи и канал связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство информации о величине измеряемого напряжения, при этом датчик напряжения состоит из передающего датчика, включенного в токопровод, на котором производится измерение, выполненного с возможностью формирования излучения электромагнитных волн, интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине, и соединенного электромагнитной связью с передающим датчиком, приемного датчика, подключенного к микроконтроллеру связи и выполненного с возможностью преобразования излучения электромагнитных волн в электрический сигнал, параметры которого пропорциональны измеряемой величине, а источник питания, имеющий вторичные цепи, выполнен в виде низковольтного трансформатора тока, включенного в токопровод, на котором производится измерение, с возможностью получения постоянного напряжения с использованием трансформации тока, протекающего по токопроводу, причем обмотка низковольтного трансформатора тока параллельно подключена к дополнительно введенному ограничителю перенапряжений и через вторичные цепи к микроконтроллеру связи, при этом микроконтроллер связи соединен посредством аппаратуры связи и канала связи с внешним устройством, причем микроконтроллер связи выполнен с возможностью «бесшовного» интегрирования устройства для измерения напряжения в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики, а само устройство для измерения напряжения находится снаружи токопровода под потенциалом высокого напряжения и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, за исключением передающего датчика, который размещен внутри герметичного кожуха, при этом передающий датчик выполнен в виде газоразрядной лампы, приемный датчик содержит фотодиод, выполненный с возможностью оптимизации спектральной характеристики под спектр излучения газоразрядной лампы, ограничитель перенапряжений выполнен нелинейным без искроразрядников, вторичные цепи содержат резервный питающий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора, канал связи выполнен в виде атмосферной оптической линии связи, или волоконно-оптической линии связи, или радиоканала.

Таким образом, в предлагаемом устройстве для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации датчик напряжения состоит из передающего датчика и приемного датчика, соединенного электромагнитной связью с передающим датчиком.

Передающий датчик формирует излучение электромагнитных волн (в том числе в оптической части спектра), интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине. В качестве такого датчика, например, может быть использована газоразрядная лампа, один из электродов которой непосредственно подключен к токоведущим частям электроэнергетической установки (ЭУ), а второй выполняет роль электрической антенны, подвешенной на малом расстоянии от токопровода.

Приемный датчик преобразует излучение электромагнитных волн (в том числе в оптической части спектра) от передающего датчика в электрический сигнал, параметры которого пропорциональны измеряемой величине (фазному напряжению на токоведущих частях ЭУ). В качестве такого приемного датчика использован фотодиод, выполненный с возможностью оптимизации спектральной характеристики под спектр излучения газоразрядной лампы.

Источник питания, имеющий вторичные цепи, выполнен в виде источника постоянного напряжения, получаемого с использованием трансформации тока, протекающего по токоведущим частям ЭУ, с помощью подключенного в токопровод низковольтного трансформатора тока (ТТ).

Для защиты цепей измерения и источника питания от разрушительных процессов, возникающих при внешних или внутренних перенапряжениях в токоведущих частях, параллельно обмотке ТТ устанавливается ограничитель перенапряжений (ОПН), который выполнен нелинейным без искроразрядников.

Для повышения надежности работы устройства, вторичная цепь содержит резервирующий конденсатор, питающий электронную аппаратуру устройства в случаях кратковременных отсутствий тока от ТТ при возникновении ненормальных и аварийных режимов работы в силовой электрической сети.

В качестве блока формирования измерительного сигнала для измеряемой величины и определения по нему измеряемой величины в устройство введен микроконтроллер связи со встроенным аналого-цифровым преобразователем, обеспечивающим оцифровку аналогового сигнала от приемного датчика, дополнительную обработку оцифрованного сигнала и формирование сигналов телеизмерения (ТИ) на внешнее устройство (индикатор или устройство сопряжения с объектом (УСО), находящимся под потенциалом низкого напряжения (земли)). Микроконтроллер связи совместно с аппаратурой связи осуществляет сбор, преобразование, обработку, хранение и передачу полученной информации о величине измеряемого напряжения по каналу связи. Передача сигналов ТИ на внешнее устройство (индикатор или УС), находящееся под потенциалом земли, осуществляется с помощью электромагнитных волн, как радио-, так и оптического диапазона спектра, в последнем случае передача оптического сигнала осуществляется по атмосферному оптическому каналу связи или по волоконно-оптической линии связи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная структурная схема предлагаемого устройства для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - передающий датчик, формирующий излучение электромагнитных волн, интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине (например, газоразрядная лампа);

2 - токопровод, на котором производится измерение (токоведущие части ЭУ);

3 - приемный датчик, преобразующий излучение электромагнитных волн в электрический сигнал, параметры которого пропорциональны измеряемой величине;

4 - источник питания (источник постоянного напряжения);

5 - микроконтроллер связи, содержащий аналого-цифровой преобразователь (блок формирования измерительного сигнала для измеряемой величины и определения по нему измеряемой величины);

6 - фотодиод (для случая использования в устройстве оптического диапазона спектра);

7 - низковольтный трансформатор тока (ТТ), подключенный к токопроводу;

8 - ограничитель перенапряжений (ОПН), который выполнен нелинейным без искроразрядников;

9 - вторичные цепи низковольтного трансформатора тока,

10 - аппаратура связи;

11 - экранирующий герметичный кожух;

12 - канал связи (атмосферная оптическая линия связи, или волоконно-оптическая линия связи, или радиоканал);

13 - внешнее устройство (индикатор или УСО автоматизированной системы управления, учета и контроля на объекте энергетики);

14 - герметичный кожух передающего датчика.

Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации содержит датчик напряжения, источник 4 питания, аналого-цифровой преобразователь и внешнее устройство 13.

Отличием устройства является то, что в него дополнительно введены последовательно соединенные микроконтроллер 5 связи, содержащий аналого-цифровой преобразователь, аппаратура 10 связи и канал 12 связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство 13 информации о величине измеряемого напряжения.

Датчик напряжения состоит из передающего датчика 1 и приемного датчика 3, соединенного электромагнитной связью с передающим датчиком 1.

Передающий датчик 1 включен в токопровод 2, на котором производится измерение, и выполнен с возможностью формирования излучения электромагнитных волн, интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине. Передающий датчик 1 выполнен в виде газоразрядной лампы, один из электродов которой непосредственно подключен к токопроводу 2 (токоведущим частям электроэнергетической установки), а второй выполняет роль электрической антенны, подвешенной на малом расстоянии от токопровода 2.

Приемный датчик 3 подключен к микроконтроллеру 5 связи и выполнен с возможностью преобразования излучения электромагнитных волн в электрический сигнал, параметры которого пропорциональны измеряемой величине. Приемный датчик 3 содержит фотодиод, выполненный с возможностью оптимизации спектральной характеристики под спектр излучения газоразрядной лампы - передающего датчика 1.

Источник питания, имеющий вторичные цепи, выполнен в виде низковольтного трансформатора 7 тока, включенного в токопровод 2, на котором производится измерение, с возможностью получения постоянного напряжения с использованием трансформации тока, протекающего по токопроводу 2. Для защиты цепей измерения и источника питания от разрушительных процессов, возникающих при внешних или внутренних перенапряжениях в токоведущих частях, обмотка низковольтного трансформатора 7 тока параллельно подключена к дополнительно введенному ограничителю 8 перенапряжений.

Ограничитель 8 перенапряжений выполнен нелинейным без искроразрядников. Ограничитель 8 перенапряжений (ОПН) устанавливается параллельно первичной или вторичной обмотке низковольтного трансформатора 7 тока (ТТ). Установка ОПН параллельно первичной обмотке ТТ предусмотрена в случаях применения ТТ с многовитковой первичной обмоткой, установка ОПН параллельно вторичной обмотке - в случаях использования ТТ с одновитковой первичной обмоткой.

Обмотка низковольтного трансформатора 7 тока через вторичные цепи 9 подключена к микроконтроллеру 5 связи. Вторичные цепи 9 содержат резервный питающий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора.

Микроконтроллер 5 связи соединен посредством аппаратуры 10 связи и канала 12 связи с внешним устройством 13 (индикатором или УСО автоматизированной системы управления, учета и контроля на объекте энергетики). Микроконтроллер 5 связи выполнен с возможностью «бесшовного» интегрирования устройства для измерения напряжения в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики.

Канал 12 связи выполнен в виде атмосферной оптической линии связи или волоконно-оптической линии связи или радиоканала.

Само устройство для измерения напряжения находится снаружи токопровода 2 под потенциалом высокого напряжения и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха 11 в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, за исключением передающего датчика 1, который размещен внутри герметичного кожуха 14.

Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации работает следующим образом.

При подаче напряжения на токоведущие части ЭУ, в окрестностях токопровода 2 возникает быстрозатухающее с расстоянием электрическое поле напряженностью Е. Известно, что напряженность Е электрического поля в окрестностях токопровода (например, провода воздушной линии электропередачи) пропорциональна напряжению на токопроводе, геометрическим размерам токопровода, а также параметрам самого устройства измерения. Следовательно, при подключении к токопроводу 2 передающего датчика 1, излучающего электромагнитные волны (в том числе в оптическом диапазоне спектра) под действием напряженности Е электрического поля, можно производить измерение фазного напряжения на ЭУ.

Одним из наиболее простых вариантов реализации передающего датчика 1 является газоразрядное устройство. При размещении в окрестностях токоведущих частей ЭУ газоразрядного устройства, один из электродов которого непосредственно подключается к токопроводу 2, а второй выполняет роль электрической антенны, в газоразрядном промежутке x возникает электрическое поле, напряженностью Е_∂, пропорциональное полю Е, на расстоянии r от поверхности токопровода 2, причем расстояние r в свою очередь определяется расстоянием между электродами x газоразрядного устройства. В качестве газоразрядного устройства может быть использован оптический датчик, устройство которого в основных чертах повторяет конструкцию газоразрядной лампы (например, неоновой лампы), где геометрические размеры и формы электродов, газоразрядного промежутка, а также состав и давление газа в герметичном корпусе датчика оптимизированы под решение задачи измерения напряжения на токопроводе 2, стабилизации параметров газоразрядного промежутка при изменении состояния и характеристик окружающей среды.

Под действием напряженности поля Е_∂ в газоразрядном промежутке устройства возникает газовый разряд (искровой или коронный разряд), приводящий к излучению электромагнитных волн, спектр которых определяется составом и давлением газа в газоразрядном промежутке, а интенсивность зависит в том числе и от напряжения на токопроводе 2.

Приемный датчик 3 принимает сигнал (электромагнитные волны) от находящегося в окрестностях передающего датчика 1, преобразует его в электрический сигнал с параметрами, определяемыми интенсивностью излучения электромагнитных волн от передающего датчика 1, производит операции фильтрации, усиления и нормирования полученного электрического сигнала и передает его далее на микроконтроллер 5 связи, содержащий аналого-цифровой преобразователь и являющийся блоком формирования измерительного сигнала для измеряемой величины и определения по нему измеряемой величины.

В качестве основного элемента приемного датчика 3 в случае использования в устройстве электромагнитных волн оптического диапазона спектра может выступать фотодиод 6, спектральная чувствительность которого оптимизирована под спектр излучения передающего датчика 1.

Микроконтроллер 5 связи, содержащий аналого-цифровой преобразователь, оцифровывает аналоговый сигнал, полученный с приемного датчика 3, производит дополнительную обработку оцифрованного сигнала и передачу соответствующего цифрового кода на аппаратуру 10 связи.

Аппаратура 10 связи из полученных от микроконтроллера 5 связи цифровых сигналов формирует согласно заложенным протоколам связи информационные сообщения - сигналы телеизмерения (ТИ) - и отсылает их на внешнее устройство 13 (индикатор или УСО автоматизированной системы управления, учета и контроля на объекте энергетики). Помимо беспроводных каналов 12 (и соответственно протоколов) связи, аппаратура 10 связи может передавать информацию по волоконно-оптической линии связи.

Питание схем устройства для измерения напряжения осуществляется источником питания, основным элементом которого является низковольтный трансформатор 7 тока (ТТ), включенный в токопровод 2. Питающее напряжение с обмотки ТТ подается на вторичные цепи 9 (на фильтрующий элемент, который содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения, стабилизирующий элемент, а также фильтр низких частот, которые на чертеже условно не показаны).

Для защиты цепей измерения и источника питания от разрушительных процессов, возникающих при внутренних или внешних перенапряжениях на токоведущих частях ЭУ, параллельно низковольтному трансформатору 7 тока предусмотрено подключение ограничителя 8 напряжений, который выполнен нелинейным без искроразрядников.

Для увеличения надежности работы устройства в случае кратковременных пауз в питании от ТТ, возникающих при прохождении процессов в токопроводе 2, обусловленных короткими замыканиями, вторичные цепи 9 содержат резервирующий конденсатор, питающий электронную аппаратуру устройства в таких режимах работы. Для обеспечения надежности работы устройства в режиме холостого хода или при полном отсутствии тока в токопроводящих частях ЭУ (когда токопровод отключен полностью) вторичные цепи 9 содержат аккумуляторную батарею и зарядное устройство аккумулятора.

Устройство для измерения напряжения находится снаружи токопровода под потенциалом высокого напряжения и размещено (за исключением передающего датчика 1) внутри экранирующего герметичного кожуха 11 в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, что позволяет отстроиться от электромагнитных полей (шумов) и защитить электронную аппаратуру устройства от коммутационных или грозовых перенапряжений. Передающий датчик 1 размещен внутри герметичного кожуха 14, обеспечивающего необходимую защиту передающего датчика 1 от неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Техническими результатами, обеспечиваемыми при использовании предлагаемого изобретения, по сравнению с устройством-прототипом, являются:

1. Повышение надежности и точности измерения напряжения на токоведущих частях ЭУ, за счет исключения из устройства датчика, изменяющего поляризацию светового сигнала в зависимости от измеряемой величины, параметры которого сильно зависят от условий окружающей среды.

2. Повышение точности измерения напряжения на токоведущих частях ЭУ, за счет исключения из устройства средств, осуществляющих деление светового сигнала на пары взаимно ортогональных линейно-поляризованных составляющих, являющихся источниками дополнительных преобразований, и следовательно, погрешностей.

3. Повышение надежности и работоспособности устройства при воздействии коммутационных и атмосферных перенапряжений в токоведущих частях ЭУ, а также помех, наведенных токами короткого замыкания.

4. Полное исключение гальванической связи между токоведущими частями ЭУ, находящимся под потенциалом высокого напряжения, и внешним устройством (индикатором или УСО), находящимся под потенциалом низкого напряжения (земли).

5. Повышение удобства и гибкости решений по компоновке устройства на вновь вводимых или реконструируемых РУ ЭУ.

6. Обеспечение простой и удобной «бесшовной» интеграции устройства в автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики, в которую входят автоматизированные системы управления в электроэнергетике (АСУЭ), автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии и мощности (АСКУЭ), «интеллектуальные сети» («smart grid»).

7. Применение устройства без существенных конструктивных изменений в РУ различных классов напряжения.

8. Уменьшение массогабаритных параметров и стоимости устройства.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного напряжения, преимущественно в электроэнергетических сетях 6 (10) кВ и выше. Техническим результатом выступает повышение надежности и точности измерений за счет исключения зависимости параметров от состояния окружающей среды. Технический результат достигается тем, что в устройство дополнительно введены последовательно соединенные микроконтроллер связи, содержащий аналого-цифровой преобразователь, аппаратура связи и канал связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство информации о величине измеряемого напряжения, датчик напряжения, состоящий из передающего датчика, включенного в токопровод, на котором производится измерение, приемного датчика, подключенного к микроконтроллеру связи и выполненного с возможностью преобразования излучения электромагнитных волн в электрический сигнал, параметры которого пропорциональны измеряемой величине, источник питания, имеющий вторичные цепи, выполнен в виде низковольтного трансформатора тока, причем обмотка низковольтного трансформатора тока параллельно подключена к дополнительно введенному ограничителю перенапряжений и через вторичные цепи к микроконтроллеру связи, при этом микроконтроллер связи соединен посредством аппаратуры связи и канала связи с внешним устройством, при этом передающий датчик выполнен в виде газоразрядной лампы, приемный датчик содержит фотодиод, выполненный с возможностью оптимизации спектральной характеристики под спектр излучения газоразрядной лампы, ограничитель перенапряжений выполнен нелинейным без искроразрядников, вторичные цепи содержат резервный питающий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора, канал связи выполнен в виде атмосферной оптической линии связи, или волоконно-оптической линии связи, или радиоканала. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, содержащее датчик напряжения, источник питания, аналогово-цифровой преобразователь и внешнее устройство, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, аппаратура связи и канал связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство информации о величине измеряемого напряжения, при этом датчик напряжения состоит из передающего датчика, включенного в токопровод, на котором производится измерение, выполненного с возможностью формирования излучения электромагнитных волн, интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине, и соединенного электромагнитной связью с передающим датчиком, приемного датчика, подключенного к микроконтроллеру связи и выполненного с возможностью преобразования излучения электромагнитных волн в электрический сигнал, параметры которого пропорциональны измеряемой величине, а источник питания, имеющий вторичные цепи, выполнен в виде низковольтного трансформатора тока, включенного в токопровод, на котором производится измерение, с возможностью получения постоянного напряжения с использованием трансформации тока, протекающего по токопроводу, причем обмотка низковольтного трансформатора тока параллельно подключена к дополнительно введенному ограничителю перенапряжений и через вторичные цепи к микроконтроллеру связи, при этом микроконтроллер связи соединен посредством аппаратуры связи и канала связи с внешним устройством, причем микроконтроллер связи выполнен с возможностью «бесшовного» интегрирования устройства для измерения напряжения в автоматизированную систему управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики, а само устройство для измерения напряжения находится снаружи токопровода под потенциалом высокого напряжения и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, за исключением передающего датчика, который размещен внутри герметичного кожуха.

2. Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации по п.1, отличающееся тем, что передающий датчик выполнен в виде газоразрядной лампы.

3. Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации по пп.1, 2, отличающееся тем, что приемный датчик содержит фотодиод, выполненный с возможностью оптимизирования спектральной характеристики под спектр излучения газоразрядной лампы.

4. Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации по п.1, отличающееся тем, что ограничитель перенапряжений выполнен нелинейным без искроразрядников.

5. Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации по п.1, отличающееся тем, что вторичные цепи содержат резервный питающий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора.

6. Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации по п.1, отличающееся тем, что канал связи выполнен в виде атмосферной оптической линии связи, или волоконно-оптической линии связи, или радиоканала.