RU2346285C1 - High-voltage optoelectronic device for current measurement - Google Patents

Abstract

FIELD: physics; measurement.

SUBSTANCE: invention relates to instrumentation, in particular, to instruments for AC / DC measurement using digital measurement technique, at voltages of 10 kV to 1500 kV mainly. Optoelectronic current metering device comprises a current transducer, an analogue-to-digital converter and transmitter located inside a wireway under high-voltage potential. The device transmits measured current data in digital form via optical channel.

EFFECT: simplified design of the device, decreased weight and dimensions, improved measurement accuarcy and operational reliability as regards to high-voltage insulation, pulse electromagnetic interference protection of digital metering section and errors caused by nonuniform heating.

2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного тока, преимущественно при напряжениях от 10 до 1500 кВ.The invention relates to measuring equipment, in particular to digital devices for measuring alternating current and direct current, mainly at voltages from 10 to 1500 kV.

Технический результат заключается в упрощении конструкции прибора, уменьшении массогабаритных показателей, увеличении точности измерений и увеличении надежности эксплуатации в части высоковольтной изоляции, исключении влияния термических градиентов. Устройство позволяет произвести точное измерение переменного или постоянного тока путем непосредственного замера падения напряжения на шунте под потенциалом высокого или сверхвысокого напряжения с последующей передачей полученной информации на потенциал земли в цифровом виде.The technical result consists in simplifying the design of the device, reducing overall dimensions, increasing the accuracy of measurements and increasing the reliability of operation in terms of high-voltage insulation, eliminating the influence of thermal gradients. The device allows you to accurately measure AC or DC by directly measuring the voltage drop across the shunt under the potential of high or ultra-high voltage, followed by the transmission of the received information to the earth potential in digital form.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Переменный ток высокого напряжения традиционно измеряется индукционными трансформаторами тока. Эти трансформаторы используются только как датчики, масштабно трансформирующие силу тока. Обычно они имеют первичную обмотку и несколько вторичных обмоток для релейной защиты, измерений и коммерческого учета. Обмотки имеют гальваническую развязку. Первичная обмотка находится под высоким потенциалом измеряемого тока, а один из выводов вторичных обмоток находится под потенциалом земли. О величине тока судят по величине напряжения (обычно до 100 Вольт при токе до 5А) на выводах вторичных обмоток. Замеры на вторичной обмотке проводятся с использованием аппаратуры, установленной на расстоянии от токопровода, обычно в здании станции. Вторичные обмотки изолируются от первичной на величину напряжения, которое может возникнуть при перенапряжениях в результате коммутаций или попадания молнии. Например, для класса напряжения 110 кВ - это напряжение составляет 460 кВ, а для оборудования 220 кВ - более 1 миллиона Вольт. Таким образом, изоляционные расстояния между обмотками измерительных индукционных трансформаторов тока с ростом напряжения для обеспечения изоляции значительно увеличиваются, масса трансформаторов тока при этом увеличивается в квадрате.High voltage alternating current is traditionally measured by induction current transformers. These transformers are used only as sensors that scale the current. Usually they have a primary winding and several secondary windings for relay protection, measurement and commercial metering. The windings are galvanically isolated. The primary winding is at a high potential of the measured current, and one of the terminals of the secondary windings is at the ground potential. The magnitude of the current is judged by the magnitude of the voltage (usually up to 100 volts at a current of up to 5A) at the terminals of the secondary windings. Measurements on the secondary winding are carried out using equipment installed at a distance from the current lead, usually in the station building. Secondary windings are isolated from the primary by the amount of voltage that can occur during overvoltages as a result of switching or lightning. For example, for a voltage class of 110 kV - this voltage is 460 kV, and for equipment of 220 kV - more than 1 million volts. Thus, the insulation distances between the windings of the measuring induction current transformers with increasing voltage to ensure insulation increase significantly, the mass of current transformers increases in this case.

Учитывая, что основной рост массы изоляторов связан не с измеряемым током, а с уровнем напряжения в измеряемой цепи, в настоящее время считается перспективным применение устройств измерения тока на основе эффекта Фарадея. Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока. Как и в других методах, основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током, при использовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерения тока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукцию и погрешность измерения магнитной индукции. При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости поляризации света, которое обычно осуществляют методами прямого или уравновешивающего преобразования. На этом эффекте работают следующие устройства: RU 2208798, RU 2223512, RU 2120128, RU 2262709, SU 1337782 и др.Considering that the main increase in the mass of insulators is associated not with the measured current, but with the voltage level in the measured circuit, the use of current measuring devices based on the Faraday effect is currently considered to be promising. The Faraday effect is the rotation of the plane of polarization of linearly polarized light in optically active substances under the influence of a magnetic field. By measuring the angle of rotation of the plane of polarization of light, it is possible to determine the magnetic field induction or current strength if the transducer is placed in the magnetic field of the measured current. As in other methods based on measuring the magnetic induction of the field created by the measured current, when using the Faraday effect, the main components of the error in measuring current are the error in converting the measured current to magnetic induction and the error in measuring magnetic induction. When using the Faraday effect, the measurement of magnetic induction is reduced to measuring the rotation of the plane of polarization of light, which is usually carried out by direct or balancing conversion methods. The following devices work on this effect: RU 2208798, RU 2223512, RU 2120128, RU 2262709, SU 1337782, etc.

При использовании ячеек Фарадея в качестве датчиков тока достаточно просто решается задача высоковольтной изоляции датчика и объекта измерения от потенциала земли и места использования результатов измерения, так как оптическое излучение, несущее информацию об измеряемом токе, не проводит электричество. Но при этом возникает большое количество преобразований измеряемых величин, ведущих к ухудшению точности измерения: величину первичного тока в шине косвенно измеряют по величине магнитного поля вокруг шины; величину магнитного поля измеряют по углу отклонения поляризации света в ячейке Фарадея; угол отклонения поляризации измеряют по величине освещенности после прохождения светом пластинки с перпендикулярным углом поляризации; освещенность измеряют по величине напряжения на выводах фотоэлектрического преобразователя; информация о напряжении на выходе фотоэлектронного преобразователя преобразуется в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе и используется для нужд измерения, учета и автоматики. При каждом преобразовании погрешность умножается и в конце может составлять значительную величину. Кроме того, метод очень чувствителен к изменению температуры, вибрации, магнитным шумам и наводкам от близко расположенных шин токопроводов соседних фаз или от работы других механизмов и устройств рядом с местом измерения. Неоспоримым достоинством метода является высокий уровень электрической изоляции, при этом диэлектрическое расстояние между датчиком, находящимся под высоким потенциалом, и регистрирующим блоком может быть сколь угодно большим. Увеличение при необходимости уровня электрической изоляции (диэлектрического расстояния) не требует увеличения затрат и изменения конструкции.When using Faraday cells as current sensors, the problem of high-voltage isolation of the sensor and the measurement object from the ground potential and the place of use of the measurement results is quite easily solved, since optical radiation carrying information about the measured current does not conduct electricity. But this leads to a large number of transformations of the measured values leading to a deterioration in the measurement accuracy: the magnitude of the primary current in the bus is indirectly measured by the magnitude of the magnetic field around the bus; the magnitude of the magnetic field is measured by the angle of deviation of the polarization of light in the Faraday cell; the polarization deviation angle is measured by the amount of illumination after the light passes through a plate with a perpendicular polarization angle; illumination is measured by the magnitude of the voltage at the terminals of the photoelectric converter; information about the voltage at the output of the photoelectronic converter is converted into a digital code in an analog-to-digital converter and is used for the needs of measurement, accounting and automation. With each conversion, the error is multiplied and at the end can be significant. In addition, the method is very sensitive to changes in temperature, vibration, magnetic noise and interference from closely spaced busbars of adjacent phases or from the operation of other mechanisms and devices near the measurement site. The indisputable advantage of the method is a high level of electrical insulation, while the dielectric distance between the sensor, which is at high potential, and the recording unit can be arbitrarily large. Increasing, if necessary, the level of electrical insulation (dielectric distance) does not require an increase in costs and structural changes.

Основное достоинство устройств на основе эффекта Фарадея, связанное с высоковольтной изоляцией, вытекает не из способа регистрации величины тока, а из способа передачи информации о величине тока с высоковольтного потенциала на потенциал земли с помощью светового луча. Это реализовано, в частности, в устройствах а.с. №354353, SU 1437786, SU 1597745, RU 2171996. В этих устройствах измеряемый ток в проводе возбуждает магнитное поле вокруг, которое воспринимается вторичной обмоткой трансформатора тока. Во всех этих устройствах используется электромагнитный способ регистрации величины проходящего тока. Напряжение вторичной обмотки в аналоговом виде поступает на светоизлучающий блок (обычно, светодиод), который передает излучение на фотоэлектронный датчик, при этом мощность излучения пропорциональна величине напряжения на вторичной обмотке. Измеряя напряжение на фотоэлектрическом датчике, получаем информацию о силе измеряемого тока в первичной обмотке (шине). Основным недостатком всех устройств такого рода также остается большое количество трансформаций и, как следствие, высокая результирующая погрешность измерения. При этом не устраняются другие недостатки, связанные с чувствительностью датчиков к вибрации, температуре, к влиянию окружающих магнитных полей и др. Дополнительно появляется погрешность, связанная с изменением пропускной способности оптической системы в результате воздействия времени, погодных условий и самого излучения.The main advantage of devices based on the Faraday effect associated with high-voltage isolation does not arise from the method of recording the magnitude of the current, but from the method of transmitting information about the magnitude of the current from the high-voltage potential to the ground potential using a light beam. This is implemented, in particular, in devices a.s. No. 354353, SU 1437786, SU 1597745, RU 2171996. In these devices, the measured current in the wire excites a magnetic field around, which is perceived by the secondary winding of the current transformer. All of these devices use an electromagnetic method of recording the magnitude of the passing current. The voltage of the secondary winding in analog form is supplied to the light emitting unit (usually an LED), which transmits the radiation to the photoelectronic sensor, while the radiation power is proportional to the voltage on the secondary winding. By measuring the voltage at the photoelectric sensor, we obtain information on the strength of the measured current in the primary winding (bus). The main disadvantage of all devices of this kind also remains a large number of transformations and, as a result, a high resulting measurement error. At the same time, other disadvantages related to the sensitivity of the sensors to vibration, temperature, to the influence of surrounding magnetic fields, etc. are not eliminated. Additionally, an error appears due to a change in the throughput of the optical system as a result of exposure to time, weather conditions and radiation itself.

Для компенсации погрешностей, связанных с изменениями температуры, в устройстве SU 1310735 применен делитель с параллельными ветвями цепи: измерительной и шунтовой. Учитывая, что шунт находится внутри токопровода измерительной цепи, он имеет одинаковый с измерительной цепью температурный дрейф проводимости и, соответственно, компенсирует возможную погрешность измерения из-за изменения температуры в широких пределах. Однако в устройстве SU 1310735 применен магнитомодуляционный преобразователь, основанный на магнитной индукции, возникающей вокруг шунтирующего участка цепи при прохождении по нему тока. С помощью магнитомодуляционного преобразователя достигается гальваническая развязка между токопроводом и измерительной цепью. Тем не менее, такое устройство невозможно применить для высоковольтных измерений, так как рабочее напряжение ограничено электрической прочностью изоляции магнитомодуляционного преобразователя.To compensate for errors associated with temperature changes, a divider with parallel branches of the circuit: measuring and shunt, is used in the SU 1310735 device. Given that the shunt is inside the current path of the measuring circuit, it has the same conductivity drift with the measuring circuit and, accordingly, compensates for the possible measurement error due to wide temperature variations. However, the device SU 1310735 uses a magnetomodulating transducer based on magnetic induction that occurs around the shunt section of the circuit when current flows through it. Using a magnetomodulating converter, galvanic isolation between the current lead and the measuring circuit is achieved. However, such a device cannot be used for high voltage measurements, since the operating voltage is limited by the electrical strength of the insulation of the magnetomodulating transducer.

В других устройствах для устранения погрешности, возникающей в тракте передачи информации по световому лучу, в частности для устранения температурных зависимостей силы излучения, изменения пропускной способности оптического канала и т.д., информационный сигнал необходимо передавать в цифровом кодированном виде. Это реализовано в устройстве RU 2166218, которое является наиболее близким прототипом заявляемого устройства. Устройство по RU 2166218 содержит несколько электромагнитных трансформаторов тока, аналого-цифровой преобразователь и светодиод для передачи информации на потенциал земли в цифровом виде. Использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) позволяет полностью устранить погрешности при передаче информации на потенциал земли. Но в прототипе, как и во всех остальных устройствах и трансформаторах тока для измерения под высоким напряжением, сила тока определяется исходя из косвенных измерений. Устройство имеет первичные обмотки, по которым протекает измеряемый ток, возбуждая магнитное поле, пропорциональное величине тока. Магнитное поле, в свою очередь, генерирует во вторичных обмотках ЭДС, пропорциональную величине магнитного поля. После прохождения схем компенсации возможной погрешности АЦП преобразует информацию о величине ЭДС в цифровой вид, в котором она передается на потенциал земли посредством светодиода.In other devices, to eliminate the error that occurs in the transmission path of information along the light beam, in particular, to eliminate the temperature dependences of the radiation power, change the bandwidth of the optical channel, etc., the information signal must be transmitted in digitally encoded form. This is implemented in the device RU 2166218, which is the closest prototype of the claimed device. The device according to RU 2166218 contains several electromagnetic current transformers, an analog-to-digital converter and an LED for transmitting information to the earth potential in digital form. Using an analog-to-digital converter (ADC) allows you to completely eliminate errors when transmitting information to earth potential. But in the prototype, as in all other devices and current transformers for measuring under high voltage, the current strength is determined based on indirect measurements. The device has primary windings, through which the measured current flows, exciting a magnetic field proportional to the magnitude of the current. The magnetic field, in turn, generates in the secondary windings an EMF proportional to the magnitude of the magnetic field. After passing through the compensation schemes for a possible error, the ADC converts the information about the magnitude of the EMF into a digital form in which it is transmitted to the ground potential via an LED.

Основные недостатки прототипа следующие:The main disadvantages of the prototype are as follows:

- погрешность измерения, вызванная влиянием магнитных и электрических полей от токопроводов соседних фаз, которые обычно находятся на небольшом расстоянии друг от друга;- measurement error caused by the influence of magnetic and electric fields from conductors of neighboring phases, which are usually located at a small distance from each other;

- чувствительность электронных устройств и компонентов к электрическим и магнитным полям от токопровода с измеряемым током;- sensitivity of electronic devices and components to electric and magnetic fields from a current path with a measured current;

- возможность выхода из строя радиоаппаратуры при воздействии больших внутренних электрических потенциалов, наведенных в радиоаппаратуре токами короткого замыкания или коммутационными перенапряжениями;- the possibility of failure of the radio equipment when exposed to large internal electrical potentials induced in the radio equipment by short-circuit currents or switching overvoltages;

- прекращение измерения и передачи измеряемого сигнала при протекании токов короткого замыкания в первичной обмотке трансформаторов напряжения вследствие прекращения питания. При коротком замыкании ток в первичной обмотке приближается по форме к постоянному, а во вторичной обмотке трансформатора тока, ответственного за питание всего устройства, перестает индуцироваться ЭДС, питание пропадает в самый необходимый момент.- the termination of the measurement and transmission of the measured signal during the flow of short circuit currents in the primary winding of voltage transformers due to a power outage. In the event of a short circuit, the current in the primary winding approaches the shape of a constant, and in the secondary winding of the current transformer responsible for powering the entire device, EMF is no longer induced, the power disappears at the most necessary moment.

Если поместить электронное измерительное устройство под высокое напряжение, неизбежно произойдет выход оборудования из строя. Это связано с большими напряжениями, наведенными на частях, проводах, соединителях оборудования при нахождении вблизи высоковольтных токопроводов и шин. При этом в случае переменного тока промышленной частоты идеальной формы устройство может работать. На самом деле общий потенциал прибора будет «плавать» с частотой 50 Гц. Но в реальных электрических сетях есть не только гармонические составляющие. При коммутации высоковольтных устройств происходит резкое возрастание напряжения и частоты. Например, при отключении вакуумного выключателя на линии 35 кВ коммутационное перенапряжение может достигать 190 кВ, а частота - до нескольких мегагерц. При наличии в приборе участков проводников больше длины волны мегагерцевого диапазона возможен внутренний пробой между компонентами или между электропроводящими участками прибора. В диапазоне частот порядка 50 Гц длина волны много больше размеров проводников и самого прибора. Размерами прибора можно пренебречь, рассматривая его как точку, медленно «качающуюся» на электромагнитной волне. При коммутационных перенапряжениях длина волны становится меньше размеров прибора, а амплитуда больше, разные части прибора оказываются под разными потенциалами. Внутри прибора могут происходить частичные разряды и полные перекрытия разрядом изоляционных промежутков. Если прибор поместить в экранированный корпус, остается возможность электрического пробоя через подключенные провода питания, измерения, выхода. До 90 % всех выходов из строя оборудования в электроэнергетике происходит вследствие процессов, происходящих при коммутациях или грозовых перенапряжениях. Именно с этим связано отсутствие радиоаппаратуры в непосредственном контакте с высоковольтными линиями на подстанциях. В качестве датчиков тока используются трансформаторы тока с изоляцией, рассчитанной на воздействие коммутационных и грозовых перенапряжений. В частности, многочисленные исследования выхода из строя большого количества трансформаторов тока на напряжение 500 кВ выявили основную причину - воздействие коммутационных перенапряжений высокой частоты. Таким образом, измерение тока наилучшим образом можно произвести, поместив датчик и АЦП под потенциал высокого напряжения, и передавать информацию о силе тока на «землю» по оптическому каналу. Но электронную цифровую аппаратуру нельзя использовать из-за сильных электромагнитных импульсов, свойственных работе высоковольтного оборудования. Также нежелательно использование индукционных трансформаторов тока с «плавающим» нулем в качестве датчиков, так как они не рассчитаны на большие перенапряжения и при высокочастотном воздействии выходят из строя.If you place the electronic measuring device under high voltage, the equipment will inevitably fail. This is due to high voltages induced on parts, wires, equipment connectors when located near high-voltage conductors and buses. Moreover, in the case of an alternating current of industrial frequency of an ideal shape, the device can work. In fact, the overall potential of the device will “float” at a frequency of 50 Hz. But in real electrical networks there are not only harmonic components. When switching high-voltage devices, a sharp increase in voltage and frequency occurs. For example, when the vacuum circuit breaker is disconnected on the 35 kV line, the switching overvoltage can reach 190 kV, and the frequency can reach several megahertz. If the device contains sections of conductors longer than the wavelength of the megahertz range, an internal breakdown between the components or between the electrically conductive sections of the device is possible. In the frequency range of about 50 Hz, the wavelength is much larger than the dimensions of the conductors and the device itself. The dimensions of the device can be neglected, considering it as a point slowly "swinging" on an electromagnetic wave. With switching overvoltages, the wavelength becomes smaller than the size of the device, and the amplitude is larger, different parts of the device are under different potentials. Partial discharges and complete overlap by discharge of insulating gaps may occur inside the device. If the device is placed in a shielded case, there remains the possibility of electrical breakdown through the connected wires of power, measurement, output. Up to 90% of all equipment failures in the electric power industry occur due to processes occurring during switching or lightning overvoltages. This is due to the lack of radio equipment in direct contact with high-voltage lines at substations. As current sensors, current transformers with insulation, designed for the effects of switching and lightning surges, are used. In particular, numerous studies of the failure of a large number of current transformers at a voltage of 500 kV have revealed the main reason - the effect of high-frequency switching overvoltages. Thus, current measurement can best be done by placing the sensor and the ADC under the high voltage potential, and transmit information about the current strength to the ground via an optical channel. But electronic digital equipment cannot be used because of the strong electromagnetic pulses inherent in the operation of high-voltage equipment. It is also undesirable to use induction current transformers with "floating" zero as sensors, since they are not designed for large overvoltages and fail due to high-frequency exposure.

Данное противоречие решается в предлагаемом устройстве.This contradiction is resolved in the proposed device.

Цели изобретенияOBJECTS OF THE INVENTION

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является простое надежное устройство для измерения величины переменного и постоянного тока высокого напряжения, у которого отсутствуют ошибки измерения при коротких замыканиях, уменьшена погрешность измерения, повышена надежность работы.The problem to which the invention is directed is a simple reliable device for measuring the magnitude of AC and DC high voltage, which has no measurement errors during short circuits, reduced measurement error, increased reliability.

ОписаниеDescription

Решение поставленной цели достигается тем, что устройство для измерения силы тока под высоким потенциалом содержит шунт, включенный параллельно и имеющий непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, аналого-цифровой преобразователь и блок, передающий цифровую информацию о силе тока с помощью электромагнитных волн (радио- или оптического диапазона) приемнику, находящемуся под потенциалом низкого напряжения (земли). Так как гальваническая развязка между высоковольтным потенциалом измеряемого токопровода и устройствами, использующими информацию о силе тока в нем, осуществляется посредством передачи информации по электромагнитным волнам, нет необходимости в дополнительной гальванической развязке через магнитную индукцию, используемую в бесконтактных индукционных датчиках (измерительных индукционных трансформаторах тока).The solution of this goal is achieved by the fact that the device for measuring the current strength at high potential contains a shunt connected in parallel and having direct contact with the current lead on which the measurement is performed, an analog-to-digital converter and a unit transmitting digital information about the current strength using electromagnetic waves ( radio or optical band) to a receiver under low voltage (ground) potential. Since galvanic isolation between the high-voltage potential of the measured current lead and devices using information about the current strength in it is carried out by transmitting information on electromagnetic waves, there is no need for additional galvanic isolation through magnetic induction used in proximity sensors (measuring induction current transformers).

Все устройство в рабочем состоянии находится под потенциалом высокого напряжения. При постоянном токе этот потенциал постоянен во времени, при переменном токе потенциал изменяется (плавает) с амплитудой, равной фазному напряжению в токопроводе, и может достигать 1500 кВ. Все элементы устройства являются низковольтными, внутри устройства разность потенциалов не превышает 100 Вольт. Это достигается подбором сопротивления участка токопровода, шунта, входного сопротивления АЦП. В соответствии с законами Кирхгофа, если считать активное сопротивление АЦП бесконечно большим, при измеряемом токе Jизм=1010 А, ток J_AB равен 1000 А, ток Jотв=10 А, падение напряжения на шунте для измерения АЦП=10 В,The entire device is in working condition under high voltage potential. With direct current, this potential is constant in time; with alternating current, the potential changes (floats) with an amplitude equal to the phase voltage in the current lead, and can reach 1500 kV. All elements of the device are low-voltage; inside the device, the potential difference does not exceed 100 volts. This is achieved by selecting the resistance of the current lead section, the shunt, the input resistance of the ADC. In accordance with Kirchhoff’s laws, if the ADC’s active resistance is infinitely large, for the measured current Jizm = 1010 A, the current J _AB is 1000 A, the current Jotv = 10 A, the voltage drop across the shunt for measuring the ADC = 10 V,

Таким образом, максимальная разность потенциалов внутри устройства, находящегося под напряжением до 1500 кВ, может составлять не более 10 В при условии идеальных гармонических колебаний промышленной частоты и отсутствии неблагоприятных внешних воздействий.Thus, the maximum potential difference inside the device, which is energized up to 1500 kV, can be no more than 10 V under the condition of ideal harmonic oscillations of the industrial frequency and the absence of adverse external influences.

Для исключения влияния на электронную аппаратуру электрических и магнитных полей полностью все измерительное устройство помещается внутрь токопровода с измеряемым током. Внутри полностью закрытой электропроводящей области пространства сумма электрических и магнитных полей равна нулю. Таким образом, цифровая аппаратура, помещенная внутрь токопровода, не будет испытывать воздействия электромагнитных полей, какими бы они большими ни были. Также токопровод будет защищать аппаратуру от возможных коммутационных или грозовых перенапряжений. Температурный градиент между шунтирующей и измерительной частью цепи также будет минимальным. Благодаря этому будет соблюдено одинаковое изменение проводимости материала шунтирующей и измеряемой цепи токопровода. В этом случае в делителе температурные изменения окружающей среды будут компенсированы. Питание измерительного устройства производится от делителя напряжения, также расположенного внутри токопровода. Конструкция измерительного устройства позволяет поместить его полностью внутрь токопровода. Отсутствие необходимости во внешних устройствах позволяет полость токопровода с измерительным устройством сделать герметичной. Так как электрический ток распространяется по поверхности проводника и с ростом частоты тока толщина околоповерхностного слоя, по которому распространяется ток, уменьшается, устройству не угрожают грозовые и коммутационные перенапряжения большой частоты.To exclude the influence on the electronic equipment of electric and magnetic fields, the entire measuring device is completely placed inside the current lead with the measured current. Inside a completely enclosed electrically conductive region of space, the sum of the electric and magnetic fields is zero. Thus, digital equipment placed inside the current lead will not be affected by electromagnetic fields, however large they may be. Also, the conductor will protect the equipment from possible switching or lightning surges. The temperature gradient between the shunt and measuring part of the circuit will also be minimal. Due to this, the same change in the conductivity of the material of the shunt and measured current path circuit will be observed. In this case, in the divider, the temperature changes in the environment will be compensated. The measuring device is powered by a voltage divider, also located inside the current lead. The design of the measuring device allows you to place it completely inside the current lead. The lack of need for external devices allows the cavity of the current lead with a measuring device to be sealed. Since the electric current propagates along the surface of the conductor and with increasing current frequency the thickness of the near-surface layer along which the current propagates decreases, the device is not threatened by lightning and switching overvoltages of high frequency.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Падение напряжения на шунте фиксируется аналого-цифровым преобразователем. Далее в нем происходит преобразование величины напряжения в цифровой код. Цифровой код далее поступает на передатчик электромагнитных волн. В простейшем случае это может быть светодиод, зажигающийся при поступлении на вход «1», и отсутствие свечения при поступлении на вход «0». Обычно в цифровой технике «1» соответствует наличие напряжения, а «0» - отсутствие. При необходимости могут быть реализованы более сложные схемы, использующие предварительное усиление цифрового сигнала перед передачей. Передача может осуществляться посредством электромагнитных волн оптического или инфракрасного диапазона. При использовании для передачи цифрового кода электромагнитных волн оптического или инфракрасного диапазона возможно применение оптических волокон, стеклянного или полимерного оптоволокна (Фиг.1). В этом случае передающее и принимающее устройства должны иметь соединители для оптоволокна. Само оптоволокно должно иметь как можно большую длину и быть защищено от токов утечки. Оптическое волокно лучше всего помещать внутрь опорного изолятора. Приемник и передатчик могут иметь любую конструкцию, способную передать цифровой код и получить его без изменения.The voltage drop on the shunt is recorded by an analog-to-digital converter. Then it converts the voltage value into a digital code. The digital code then goes to the transmitter of electromagnetic waves. In the simplest case, it can be an LED that lights up when it arrives at input “1”, and there is no glow when it arrives at input “0”. Usually in digital technology “1” corresponds to the presence of voltage, and “0” corresponds to the absence. If necessary, more complex circuits using pre-amplification of the digital signal before transmission can be implemented. Transmission can be carried out by means of electromagnetic waves in the optical or infrared range. When used to transmit a digital code of electromagnetic waves in the optical or infrared range, it is possible to use optical fibers, glass or polymer optical fiber (Figure 1). In this case, the transmitting and receiving devices must have connectors for fiber. The fiber itself must be as long as possible and protected against leakage currents. Optical fiber is best placed inside the support insulator. The receiver and transmitter may have any design capable of transmitting a digital code and receiving it without modification.

Реализация изобретенияThe implementation of the invention

На предприятии-заявителе были изготовлены макеты предлагаемого устройства для измерения тока. Устройство было смонтировано на опорном высоковольтном стержневом изоляторе. Одно устройство смонтировано на изоляторе с рабочим напряжением 35 кВ, второе - на изоляторе с рабочим напряжением 110 кВ, третье - на изоляторе с рабочим напряжением 220 кВ. Все устройства были рассчитаны на измерение токов от 10 до 100 Ампер. Класс точности соответствовал классу точности АЦП. Расчетный класс точности соответствовал классу 0.2S (IEC Class 0.2) традиционных трансформаторов тока.At the applicant enterprise, mock-ups of the proposed device for measuring current were made. The device was mounted on a reference high-voltage rod insulator. One device is mounted on an insulator with an operating voltage of 35 kV, the second - on an insulator with an operating voltage of 110 kV, and the third - on an insulator with an operating voltage of 220 kV. All devices were designed to measure currents from 10 to 100 amperes. The accuracy class corresponded to the accuracy class of the ADC. The design accuracy class was in accordance with class 0.2S (IEC Class 0.2) of traditional current transformers.

По результатам испытаний получены осциллограммы 1440-а замеров мгновенных значений (10 периодов по 144 точки за период) на каждом устройстве по 3-м сериям испытаний. Анализ результатов испытаний показал высокую повторяемость измерений, высокую точность и воспроизводимость результатов, отсутствие искажений при токах короткого замыкания, правильные результаты и команды для релейной автоматики даже после 7-8-ого периода короткого замыкания, отсутствие искажений в результате воздействия вибрации, отсутствие искажений при изменении магнитного поля в месте замеров, отсутствие искажений результатов при прохождении электрических разрядов по воздуху (имитация удара молнии) на расстоянии 3 метров.According to the test results, the oscillograms of 1440 measurements of instantaneous values (10 periods of 144 points per period) on each device for 3 series of tests were obtained. Analysis of the test results showed high repeatability of measurements, high accuracy and reproducibility of the results, the absence of distortion at short-circuit currents, the correct results and commands for relay automation even after the 7-8th period of a short circuit, the absence of distortion due to vibration, the absence of distortion when changing magnetic field at the measurement site, the absence of distortion of the results when passing electric discharges through the air (simulating lightning strikes) at a distance of 3 meters.

Все устройства работали одинаково и выдавали одинаковые результаты несмотря на разное рабочее напряжение, под потенциалом которого находились устройства.All devices worked the same and produced the same results despite different operating voltages, under the potential of which the devices were located.

Конструкция устройства поясняется чертежамиThe design of the device is illustrated by drawings.

На всех фигурах следующие обозначения:In all figures, the following notation:

1 - токопровод измеряемой цепи;1 - current lead of the measured circuit;

2 - шунт, включенный параллельно измеряемой цепи;2 - a shunt connected in parallel to the measured circuit;

3 - аналого-цифровой преобразователь;3 - analog-to-digital Converter;

4 - оптический передатчик цифрового кода;4 - optical transmitter digital code;

5 - разъем для присоединения оптического волокна;5 - connector for attaching an optical fiber;

6 - опорный высоковольтный изолятор;6 - reference high-voltage insulator;

7 - оптическое волокно.7 - optical fiber.

Фиг.1 - Электрическая схема устройства для измерения переменного и постоянного тока.Figure 1 - Electrical diagram of a device for measuring AC and DC.

Фиг.2 - Вид устройства, смонтированного внутри токопровода, установленного на опорный изолятор.Figure 2 - View of the device mounted inside the conductors mounted on a reference insulator.

Claims (1)

Высоковольтное оптоэлектронное устройство для измерения тока, содержащее датчик тока, аналого-цифровой преобразователь и передатчик, отличающееся тем, что оно помещено внутрь токопровода с измеряемым током, находится под потенциалом высокого напряжения в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, а передача информации о величине измеряемого тока производится в кодированном цифровом виде по оптическому каналу. A high-voltage optoelectronic device for measuring current, containing a current sensor, an analog-to-digital converter and a transmitter, characterized in that it is placed inside the current path with a measured current, is under high voltage potential in the zone of absence of magnetic and electric fields, and the transmission of information about the measured current produced in digitally encoded form via an optical channel.

Images