ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2021 года по МПК H01F38/30 G01R15/18 

Изобретение относится к преобразователю тока и к способу измерения токов подобным преобразователем тока.

В частности изобретение относится к преобразователям тока для сетей высокого и среднего напряжения. В сетях переменного тока используются, как правило, индуктивные преобразователи тока, которые основываются на принципе трансформатора. Однако при помощи этих индуктивных преобразователей тока не могут регистрироваться постоянные токи или постоянные составляющие смешанных токов. Регистрация постоянных токов или постоянных составляющих необходима в частности для мониторинга электросетей с высоковольтными линиями передачи постоянного тока. Подобные электросети приобретают все большее значение, в частности для того чтобы с малыми потерями передавать электрическую энергию на большие расстояния.

В основе изобретения лежит задача указать преобразователь тока и способ измерения тока, которые улучшены в частности в отношении регистрации переменных и постоянных токов.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью преобразователя тока с признаками пункта 1 формулы изобретения и с помощью способа с признаками пункта 15 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Соответствующий изобретению преобразователь тока включает в себя первичный проводник, корпус, через который проведен первичный проводник, индуктивный датчик переменного тока, по меньшей мере, с одной расположенной в корпусе вторичной катушкой и датчик компенсационного тока с расположенной в корпусе компенсационной катушкой для создания компенсационного магнитного поля, которое компенсирует созданное первичным проводником первичное магнитное поле, и с магнитометром для регистрации суммы первичного магнитного поля и компенсационного магнитного поля.

Соответствующий изобретению преобразователь тока делает возможной регистрацию как переменных токов или переменных составляющих смешанных токов, так и постоянных токов или постоянных составляющих смешанных токов.

Для регистрации переменных токов и переменных составляющих смешанных токов преобразователь тока имеет в частности индуктивный датчик переменного тока, который основан на принципе трансформатора: протекающий через первичный проводник переменный ток или переменная составляющая создает изменяющееся во времени первичное магнитное поле, которое индуцирует во вторичной катушке вторичное напряжение и вторичный ток, через которые может регистрироваться протекающий через первичный проводник переменный ток или переменная составляющая.

Дополнительно преобразователь тока имеет датчик компенсационного тока, которым могут регистрироваться в частности постоянные токи и постоянные составляющие смешанных токов: протекающий через первичный проводник первичный ток создает в окружении первичного проводника первичное магнитное поле; в компенсационной катушке устанавливается компенсационный ток, который создает компенсационное магнитное поле, которое компенсирует первичное магнитное поле на месте магнитометра, и через который регистрируется первичный ток.

Соответствующий изобретению преобразователь тока может вследствие этого предпочтительно использоваться в частности для мониторинга электросетей с постоянными и переменными токами или смешанными токами, в которых должны были бы иначе использоваться отдельные преобразователи постоянного и переменного тока. При этом компенсационная катушка датчика компенсационного тока устанавливается в том же корпусе, что и, по меньшей мере, одна вторичная катушка индуктивного датчика переменного тока, так что для создания соответствующего изобретению преобразователя тока может использоваться конструкция корпуса, которая известна у традиционных индуктивных преобразователей переменного тока и хорошо себя там зарекомендовала. Соответствующий изобретению преобразователь тока может быть выполнен отдельно или в виде составной части комбинированного преобразователя тока и напряжения.

Вариант осуществления изобретения предусматривает, что индуктивный датчик переменного тока имеет, по меньшей мере, один измерительный сердечник и/или, по меньшей мере, один защитный сердечник. Под измерительным сердечником или защитным сердечником понимается магнитомягкий магнитный сердечник вторичной катушки. Измерительные и защитные сердечники отличаются друг от друга не принципиально, а лишь своим исполнением для целей измерения или защиты. Применение измерительных сердечников и защитных сердечников делает возможным концентрирование созданного первичным проводником первичного магнитного поля в местах этих сердечников.

Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает то, что магнитометр является феррозондовым магнитометром. В частности феррозондовый магнитометр может иметь два расположенных в корпусе, проходящих в виде кольца вокруг первичного проводника компенсационных сердечника и намотанную в противоположных направлениях вокруг обоих компенсационных сердечников обмотку возбуждения. Феррозондовые магнитометры имеют по сравнению с другими магнитометрами, например по сравнению с датчиками Холла, преимущество предоставления сигналов без смещения или лишь с незначительным смещением. Далее они могут изготавливаться по существу из тех же компонентов и материалов, что и индуктивные датчики переменного тока, так что не должны предусматриваться отдельные сложные защитные устройства для защиты их компонентов в корпусе. Феррозондовые магнитометры с двумя компенсационными сердечниками, на которые в противоположных направлениях намотана обмотка возбуждения, имеют далее то преимущество, что обратные воздействия компенсационных сердечников на первичный проводник в значительной степени взаимно компенсируются.

Кроме того, может быть предусмотрено, что феррозондовый магнитометр имеет помимо обоих компенсационных сердечников расположенный в корпусе, проходящий в виде кольца вокруг первичного проводника дополнительный сердечник и дополнительную вторичную обмотку, и дополнительная вторичная обмотка и компенсационная катушка намотаны вокруг дополнительного сердечника. Благодаря дополнительному сердечнику и дополнительной вторичной обмотке датчик компенсационного тока может также использоваться для регистрации переменных токов или переменных составляющих, например для регистрации переменных токов или переменных составляющих, на измерение которых индуктивный датчик переменного тока не рассчитан, и которые не регистрируются также обоими компенсационными сердечниками.

Альтернативно датчик компенсационного тока может иметь вместо феррозондового магнитометра магнитометр с датчиком Холла. Например, датчик компенсационного тока может иметь расположенный в корпусе, проходящий в виде кольца вокруг первичного проводника магнитный сердечник, вокруг которого намотана компенсационная катушка, и который имеет воздушный зазор, в котором расположен датчик Холла. Это позволяет регистрировать датчиком Холла сумму созданного первичным проводником первичного магнитного поля и созданного компенсационной катушкой компенсационного магнитного поля на месте датчика Холла и устанавливать протекающий в компенсационной катушке компенсационный ток таким образом, что эта сумма обращается в ноль. Благодаря расположению датчика Холла в воздушном зазоре обмотанного компенсационной катушкой магнитного сердечника магнитное поле концентрируется предпочтительно в месте датчика Холла.

Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает расположенный в корпусе корпус обмоток, в котором расположена, по меньшей мере, одна вторичная катушка и компенсационная катушка. Благодаря корпусу обмоток, который также обозначается как оболочка сердечников, может задаваться электрический потенциал в окружении вторичной и компенсационной катушек, например благодаря тому, что корпус обмоток заземляется.

Предпочтительно корпус обмоток электрически изолирован относительно корпуса. Например, корпус заполнен изоляционным газом или изоляционной жидкостью или изоляционной массой. Вследствие этого предотвращается то, что прилегающее к корпусу электрическое напряжение, в частности высокое напряжение, передается на корпус обмоток.

Дальнейшие варианты осуществления изобретения предусматривают, что индуктивный датчик переменного тока имеет первую измерительную схему, которая расположена за пределами корпуса и электрически соединена с каждой вторичной катушкой, и/или датчик компенсационного тока имеет вторую измерительную схему, которая расположена за пределами корпуса и электрически соединена с компенсационной катушкой и магнитометром. Эти варианты осуществления изобретения предусматривают расположение измерительных схем преобразователя тока за пределами корпуса. Вследствие этого измерительные схемы могут располагаться предпочтительно на защищенных и легкодоступных местах, например в распределительном шкафу.

Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает то, что датчик компенсационного тока может деактивироваться, причем в частности компенсационная катушка может замыкаться накоротко. Этот вариант осуществления изобретения учитывает то, что датчик компенсационного тока требует электрической энергии для снабжения компенсационной катушки и магнитометра. Следовательно, является предпочтительным выполнять датчик компенсационного тока с возможностью деактивации, для того чтобы была возможность активировать его только при необходимости, в частности если должен регистрироваться постоянный ток или постоянная составляющая. Вследствие этого потребление энергии и эксплуатационные расходы преобразователя тока могут предпочтительно сокращаться. Далее могут сокращаться затраты на приобретение или первоначальные затраты на приобретение для преобразователя тока, благодаря тому, что измерительная схема датчика компенсационного тока приобретается дополнительно только при необходимости и, возможно, лишь в будущем.

Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает опорный изолятор, на котором расположен корпус. Этот вариант осуществления предпочтителен в частности, если к первичному проводнику прилегает высокое напряжение, для того чтобы располагать корпус и первичный проводник на достаточной высоте и с электрической изоляцией от земли.

При соответствующем изобретению способе измерения токов соответствующим изобретению преобразователем тока регистрируется индуктивным датчиком переменного тока протекающий в первичном проводнике переменный ток или переменная составляющая протекающего в первичном проводнике тока, и датчиком компенсационного тока регистрируется протекающий в первичном проводнике постоянный ток или постоянная составляющая протекающего в первичном проводнике тока.

Вышеописанные свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения становятся более ясными и понятными в связи с последующим описанием примеров осуществления, которые разъясняются более подробно в связи с чертежом. При этом на чертеже показаны:

фиг. 1 - схематично пример осуществления преобразователя тока;

фиг. 2 - схематично изображение в разрезе головки изображенного на фиг. 1 преобразователя тока;

фиг. 3 - схематично изображенный на фиг. 1 преобразователь тока с деактивированным датчиком компенсационного тока; и

фиг. 4 - схематично пример осуществления датчика компенсационного тока с датчиком Холла.

Соответствующие друг другу элементы снабжены на фигурах одинаковыми ссылочными позициями.

Фиг. 1 схематично показывает пример осуществления преобразователя 1 тока. Преобразователь 1 тока имеет головку 3 преобразователя тока, опорный изолятор 5, на котором расположена головка 3 преобразователя тока, и основание 7, на котором расположен опорный изолятор 5, и на котором расположена клеммная коробка 8.

Фиг. 2 схематично показывает изображение в разрезе головки 3 преобразователя тока. Головка 3 преобразователя тока имеет корпус 9, через который проведен первичный проводник 11. В корпусе 9 расположен тороидальный корпус 10 обмоток, который расположен вокруг первичного проводника 11.

Преобразователь 1 тока имеет индуктивный датчик 13 переменного тока и датчик 15 компенсационного тока.

Индуктивный датчик 13 переменного тока этого примера осуществления имеет два кольцеобразных защитных сердечника 17 и два кольцеобразных измерительных сердечника 19, на которые в каждом случае намотана вторичная катушка 21, и которые в каждом случае проходят внутри корпуса 10 обмоток вокруг первичного проводника 11.

Датчик 15 компенсационного тока имеет компенсационную катушку 23 и магнитометр 25. Магнитометр 25 этого примера осуществления выполнен в виде феррозондового магнитометра и имеет два магнитомягких компенсационных сердечника 27, один опциональный магнитомягкий дополнительный сердечник 29, обмотку 31 возбуждения и опциональную дополнительную вторичную обмотку 33. Компенсационные сердечники 27 и дополнительный сердечник 29 выполнены в каждом случае в виде кольца и проходят внутри корпуса 10 обмоток вокруг первичного проводника 11. Обмотка 31 возбуждения намотана в противоположных направлениях вокруг обоих компенсационных сердечников 27. Дополнительная вторичная обмотка 33 намотана вокруг дополнительного сердечника 29. Компенсационная катушка 23 намотана вокруг обоих компенсационных сердечников 27 и дополнительного сердечника 29.

Во время эксплуатации датчика 15 компенсационного тока создается в обмотке 31 возбуждения переменный ток возбуждения, который периодически приводит компенсационные сердечники 27 в магнитное насыщение. Виду того, что обмотка 31 возбуждения намотана в противоположных направлениях вокруг обоих компенсационных сердечников 27, созданные при этом магнитные поля компенсационных сердечников 27 направлены в противоположных направлениях. Компенсационные сердечники 27 и их намотки в виде обмотки 31 возбуждения идентичны за исключением направлений намотки, так что также магнитные поля компенсационных сердечников 27 имеют одинаковую величину по модулю, если не действует внешнее магнитное поле на компенсационные сердечники 27. Если же внешнее магнитное поле действует на компенсационные сердечники 27, то это приводит к отличным друг от друга величинам магнитных полей компенсационных сердечников 27, разность между которыми является мерой напряженности внешнего магнитного поля. Действующее на компенсационные сердечники 27 внешнее магнитное поле является суммой созданного первичным током в первичном проводнике 11 первичного магнитного поля и созданного компенсационным током в компенсационной катушке 23 компенсационного магнитного поля. Компенсационный ток в компенсационной катушке 23 устанавливается таким образом, что компенсационное магнитное поле компенсирует первичное магнитное поле в компенсационных сердечниках 27, или величины магнитных полей компенсационных сердечников 27 одинаковы. Следовательно, сила компенсационного тока является мерой силы первичного тока и делает возможным его измерение. Компенсационные сердечники 27 служат для измерения протекающих в первичном проводнике 11 постоянных токов или постоянных составляющих.

Опциональный дополнительный сердечник 29 используется для дополнительного измерения протекающих в первичном проводнике 11 переменных токов или переменных составляющих, например для измерения переменных токов или переменных составляющих, на измерение которых измерительные сердечники 19 индуктивного датчика 13 переменного тока не рассчитаны. При этом компенсационным током в компенсационной катушке 23 также компенсируются первичные магнитные поля, которые создаются в дополнительном сердечнике 29 протекающими в первичном проводнике 11 переменными токами или переменными составляющими. Переменные составляющие первичного тока и компенсационного тока создают изменения магнитного поля в дополнительном сердечнике 29, которые индуцируют вторичный ток в дополнительной вторичной обмотке 33. Переменная составляющая компенсационного тока устанавливается поэтому таким образом, что в дополнительной вторичной обмотке 33 не индуцируется вторичный ток.

Для регистрации протекающих во вторичных катушках 21 вторичных токов, которые индуцируются протекающим в первичном проводнике 11 переменным током или переменной составляющей, индуктивный датчик 13 переменного тока имеет первую измерительную схему 35. Для создания протекающего в обмотке 31 возбуждения тока возбуждения, для создания и установления протекающего в компенсационной катушке 23 компенсационного тока и опционально для регистрации протекающего в дополнительной вторичной обмотке 33 вторичного тока датчик 15 компенсационного тока имеет вторую измерительную схему 37. Первая измерительная схема 35 соединена первыми соединительными линиями 39 с вторичными катушками 21. Вторая измерительная схема 37 соединена вторыми соединительными линиями 41 с обмоткой 31 возбуждения и компенсационной катушкой 23, а также опционально с дополнительной вторичной обмоткой 33. Соединительные линии 39, 41 проведены из корпуса 10 обмоток и корпуса 9 через опорный изолятор 5 к клеммной коробке 8 и оттуда к измерительным схемам 35, 37.

Датчик 15 компенсационного тока может деактивироваться. Для этого части вторых соединительных линий 41, которые соединяют клеммную коробку 8 со второй измерительной схемой 37, соединены с клеммной коробкой 8 разъемно, например через штекерное соединение. После отсоединения этих частей вторых соединительных линий 41 от клеммной коробки 8 обмотка 31 возбуждения, опциональная дополнительная вторичная обмотка 33 и компенсационная катушка 23 могут в каждом случае замыкаться накоротко, например короткозамыкающей вилкой 43, которая вместо этих частей вторых соединительных линий 41 может соединяться с клеммной коробкой 8.

Фиг. 3 показывает преобразователь 1 тока с короткозамыкающей вилкой 43, которая в каждом случае замыкает накоротко обмотку 31 возбуждения, опциональную дополнительную вторичную обмотку 33 и компенсационную катушку 23.

Опорный изолятор 5 выполнен в виде полого изолятора и имеет несколько изоляционных экранов 6, которые в каждом случае проходят в виде кольца вокруг продольной оси опорного изолятора 5. Опорный изолятор 5 изготовлен, например, из керамического материала или выполнен в виде трубы из армированного стекловолокном пластика, на которой расположены изоляционные экраны 6 из силикона.

Корпус 10 обмоток электрически изолирован относительно корпуса 9. Например, корпус 9 заполнен с этой целью изоляционным газом, например элегазом (гексафторидом серы) или азотом, или изоляционной жидкостью, например изоляционным маслом, или изоляционной массой, например силиконовой изоляционной массой.

Показанный на фигурах пример осуществления может модифицироваться по-разному. Например, индуктивный датчик 13 переменного тока может иметь отличное от двух количество защитных сердечников 17 и/или измерительных сердечников 19. В частности он может и вовсе не иметь защитного сердечника 17 или измерительного сердечника 19. Далее датчик 15 компенсационного тока может иметь другой магнитометр 25, чем феррозондовый магнитометр, например магнитометр 25 с датчиком 49 Холла (см. фиг. 4).

Фиг. 4 схематично показывает пример осуществления датчика 15 компенсационного тока, который имеет расположенный в корпусе 10 обмоток, проходящий в виде кольца вокруг первичного проводника 11 магнитный сердечник 45, вокруг которого намотана компенсационная катушка 23, и который имеет воздушный зазор 47, в котором расположен датчик 49 Холла. Датчиком 49 Холла регистрируется сумма созданного первичным проводником 11 первичного магнитного поля и созданного компенсационной катушкой 23 компенсационного магнитного поля на месте датчика 49 Холла, и протекающий в компенсационной катушке 23 компенсационный ток устанавливается таким образом, что эта сумма обращается в ноль.

Несмотря на то, что изобретение было подробно и детально проиллюстрировано и описано посредством предпочтительных примеров осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут выводиться отсюда специалистом, не покидая объем защиты изобретения.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении точности регистрации токов. Преобразователь (1) тока включает первичный проводник (11), корпус (9), через который проведен первичный проводник (11), индуктивный датчик (13) переменного тока по меньшей мере с одной расположенной в корпусе (9) вторичной катушкой (21) и датчик (15) компенсационного тока с расположенной в корпусе (9) компенсационной катушкой (23) для создания компенсационного магнитного поля, которое компенсирует созданное первичным проводником (11) первичное магнитное поле, и с магнитометром (25) для регистрации суммы первичного магнитного поля и компенсационного магнитного поля. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Преобразователь (1) тока, включающий в себя

- первичный проводник (11),

- корпус (9), через который проведен первичный проводник (11),

- индуктивный датчик (13) переменного тока по меньшей мере с одной расположенной в корпусе (9) вторичной катушкой (21) и

- датчик (15) компенсационного тока с расположенной в корпусе (9) компенсационной катушкой (23) для создания компенсационного магнитного поля, которое компенсирует созданное первичным проводником (11) первичное магнитное поле, и с магнитометром (25) для регистрации суммы первичного магнитного поля и компенсационного магнитного поля,

- причем магнитометр (25) является феррозондовым магнитометром, имеющим два расположенных в корпусе (9), проходящих в виде кольца вокруг первичного проводника (11) компенсационных сердечника (27) и намотанную в противоположном направлении вокруг обоих компенсационных сердечников (27) обмотку (31) возбуждения.

2. Преобразователь (1) тока по п. 1, отличающийся тем, что индуктивный датчик (13) переменного тока имеет по меньшей мере один измерительный сердечник (19) и/или по меньшей мере один защитный сердечник (17).

3. Преобразователь (1) тока по п. 1, отличающийся тем, что феррозондовый магнитометр имеет расположенные в корпусе (9), проходящие в виде кольца вокруг первичного проводника (11) дополнительный сердечник (29) и дополнительную вторичную обмотку (33), причем дополнительная вторичная обмотка (33) и компенсационная катушка (23) намотаны вокруг дополнительного сердечника (29).

4. Преобразователь (1) тока по любому из пп. 1-3, отличающийся расположенным в корпусе (9) корпусом (10) обмоток, в котором расположена по меньшей мере одна вторичная катушка (21) и компенсационная катушка (23).

5. Преобразователь (1) тока по п. 4, отличающийся тем, что корпус (10) обмоток электрически изолирован относительно корпуса (9).

6. Преобразователь (1) тока по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что корпус (9) заполнен изоляционным газом, или изоляционной жидкостью, или изоляционной массой.

7. Преобразователь (1) тока по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что индуктивный датчик (13) переменного тока имеет первую измерительную схему (35), которая расположена за пределами корпуса (9) и электрически соединена с каждой вторичной катушкой (21).

8. Преобразователь (1) тока по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что датчик (15) компенсационного тока имеет вторую измерительную схему (37), которая расположена за пределами корпуса (9) и электрически соединена с компенсационной катушкой (23) и магнитометром (25).

9. Преобразователь (1) тока по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что датчик (15) компенсационного тока выполнен с возможностью деактивации.

10. Преобразователь (1) тока по любому из пп. 1-9, отличающийся опорным изолятором (5), на котором расположен корпус (9).

11. Способ измерения токов выполненным по любому из пп. 1-10 преобразователем (1) тока, причем

- индуктивным датчиком (13) переменного тока регистрируют протекающий в первичном проводнике (11) переменный ток или переменную составляющую протекающего в первичном проводнике (11) тока, и

- датчиком (15) компенсационного тока регистрируют протекающий в первичном проводнике (11) постоянный ток или постоянную составляющую протекающего в первичном проводнике (11) тока.