Электронный трансформатор тока: продолжение дискуссии. Электронные трансформаторы токаМетрологические проблемы при внедрении электронных устройств измерения тока и напряжения в высоковольтных сетяхВ 2010 году разработку электронных трансформаторов напряжения и тока оригинальной конструкции начали и уральские инженеры [1], и уже в начале своей деятельности разработчики столкнулись с метрологическими проблемами внедрения электронных трансформаторов в существующие системы измерения, учета электроэнергии и защиты. Насколько сложно внести в Государственный реестр средств измерений, и в дальнейшем повсеместно внедрять новые типы оптических и электронных трансформаторов? Рассмотрим по порядку. С 1999 по 2002 год в Европе были разработаны и приняты стандарты МЭК 60044-7 и МЭК 60044-8 на электронные трансформаторы напряжения и тока соответственно. В России в 2010 году утверждаются (с датой введения в действие с 01 июля 2012 года) два стандарта, выполненные на основе аутентичных переводов на русский язык вышеуказанных стандартов:
При рассмотрении этих стандартов видно, что многие пункты «сырые» или находятся в стадии разработки. Конечно же, надо сделать скидку на то, что электронные трансформаторы в России не выпускаются и не внедряются массово, а существуют только в виде опытных образцов или находятся в единичных экземплярах в опытно-промышленной эксплуатации. Рассмотрим, насколько электронные трансформаторы, выполненные по этим стандартам, соответствуют существующим Российским нормам. Электронный трансформатор напряженияВторичное напряжение, вторичные нагрузки и допускаемые погрешности классов точности соответствуют Российским нормам. Правда, в стандарте на электронные трансформаторы тока (ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010) есть указание о цифровом выходе для электронного трансформатора напряжения, соответствующем МЭК 61850, что характеризует качество подготовки этих документов в целом. Прочие несоответствия этого стандарта и других Российских норм прослеживаются в классах напряжений (в частности, для напряжений выше 220 кВ), некоторых технических характеристиках и в методах испытаний. Электронный трансформатор токаВыход электронного трансформатора тока по ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 предполагается аналоговый по напряжению, а также цифровой по МЭК 61850. Несоответствие этого стандарта и других Российских норм прослеживается также в классах напряжений (в частности, для напряжений выше 220 кВ), и в отсутствии некоторых широко употребляемых стандартных номинальных токов (в частности 80, 800, 1200 А), некоторых технических характеристиках и в методах испытаний.
Наличие цифровых выходов у электронного трансформатора делает невозможным его подключение непосредственно к серийному счетчику электроэнергии. Для непосредственного подключения потребуется счетчик с цифровыми входами, но по данным на начало 2014 года, в России не выпускался серийно такой счетчик, внесённый в Государственный Реестр Средств Измерений. Ввиду этого, применение электронных трансформаторов, потребует от конечного потребителя применения вместо простого подключения (рисунок 1) применения неких цифровых программно-аппаратных комплексов сопряжения с серийным счетчиком электроэнергии (рисунок 2). Только в одном случае цифровые выходы будут иметь положительное значение – если в точке измерения реализована архитектура «цифровой подстанции» по стандарту МЭК 61850. Но процесс построения «цифровой» подстанции, анонсированный уже более 6 лет назад, до сих пор не имеет примеров реального полноценного внедрения на территории РФ. При этом, авторы выражают сомнение в том, что удастся в короткие сроки «оцифровать» десятки тысяч подстанций Российской энергосистемы.  Рисунок 1. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением электромагнитных трансформаторов.
 Рисунок 2. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением цифровых трансформаторов по ГОСТ Р МЭК 60044-7 и ГОСТ Р МЭК 60044-8, стандартного счетчика электроэнергии и терминала защиты.Для внедрения электронных трансформаторов требуется устранение описанных проблем. Но прямое решение проблем в «лоб» потребуются значительные средства на разработку методик, создание новых комплексов для поверки, программно-аппаратных комплексов сопряжения, что повлечет за собой большие финансовые затраты производителя, который заложит их в цену, что сделает электронные трансформаторы недоступными для эксплуатации еще на долгие годы. Для компромиссного решения этих проблем электронные трансформаторы должны иметь экранированный от внешних воздействий первичный датчик тока и напряжения, и иметь выходы, идентичные электромагнитным трансформаторам. Первая часть решается просто – введение экранирования первичного датчика тока и напряжения, или применения в их качестве малогабаритных трансформаторов со сталью. Вторая часть решения будет сложнее и, конечно же, усложнит конструкцию цифрового трансформатора, ведь придется имитировать работу электромагнитного трансформатора с помощью аналоговой силовой электроники, проще говоря, усилителей. На современном этапе развития электроники реализовать это будет несложно. Но для поверки конечного потребителя это решит массу проблем, ведь не будет сложностей с проведением поверки с помощью стандартного метрологического оборудования и подключением такого трансформатора к обыкновенному счетчику (рисунок 3). Кроме этого, переконвертировать такой сигнал в стандарт МЭК 61850 будет проще – для стандартных электромагнитных трансформаторов напряжения и тока созданы программно-аппаратные комплексы. Таким образом, получается электронный трансформатор с малой массой, габаритами и минимальным обслуживанием, при этом он может поверяться стандартными средствами метрологии и по стандартным методикам, он подойдет под замену электромагнитных трансформаторов, а в связке с конвертером МЭК 61850 будет встроен в систему «цифровой подстанции».  Рисунок 3. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением цифровых трансформаторов с аналоговыми усилителями, стандартного счетчика электроэнергии и терминала защиты.Для реализации описанной архитектуры электронного трансформатора были проведены опытно-конструкторские работы и большой объем исследовательских работ. В результате были разработаны электронные трансформаторы тока и напряжения класса 110 кВ, объединенные в одном корпусе, получившее коммерческое обозначение i-TOR-110. Решение объединить 2 прибора в одном корпусе пошло только на пользу – были объединены изоляционные конструкции, корпусные детали, блоки питания первичных преобразователей. Масса одного устройства i-TOR-110, на номинальный ток до 1000 А не превышает 60 кг, а вторичного конвертера с аналоговыми усилителями – не превышает 5 кг. Ввиду относительно небольшой массы появилась возможность не только поставить его на опорных конструкциях подстанции, но и повесить на подходящей опоре ЛЭП вместо стандартного подвесного изолятора. Для снижения воздействия внешних электрических и магнитных полей в качестве первичного датчика тока применен малогабаритный трансформатор тока, а для напряжения – экранированный делитель напряжения. Для потребителя сложности с подключением прибора к счетчику или системе учета электроэнергии никаких – выходная силовая электроника полностью имитирует работу электромагнитного трансформатора тока и напряжения. Ввиду того, что устройство i-TOR-110 электронное, они изначально были рассчитано и спроектировано под коммерческие классы измерения – 0,2S для тока и 0,2 для напряжения.  Рисунок 4. Узел коммерческого учёта на базе i-TOR-110 подстанционного исполнения.Процесс поверки устройства i-TOR-110 полностью аналогичен поверке традиционных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения, с применением стандартного оборудования и методик поверки. Внедрение цифровых трансформаторов в сетях 110 кВ и выше в настоящее время осложнено проблемами проведения поверки и интеграции в существующие системы измерения. Современная метрологическая база не готова к массовому внедрению новых цифровых трансформаторов и их метрологическому обеспечению. В связи с этим, многим энергетикам неочевидна необходимость перехода на новые аппараты. Предложенные в статье решения позволяют снять многие противоречия и облегчить переход отечественных электросетей к новым принципам организации коммерческого учёта и интеллектуальной защиты.
Электронный трансформатор тока - Энергетика и промышленность России - № 13-14 (153-154) июль 2010 года - WWW.EPRUSSIA.RUГазета "Энергетика и промышленность России" | № 13-14 (153-154) июль 2010 года К ЭТТ относятся преобразователи переменного тока, в которых имеются промежуточные преобразования измеряемого тока с помощью различных электронных схем. На выходе ЭТТ сигнал, пропорциональный измеряемому току, может быть представлен как в аналоговом, так и в цифровом виде. В общем случае блок-схема ЭТТ представлена на рис. 1, заимствованном из стандарта МЭК 60044‑8, но при этом нет жесткого требования к тому, чтобы ЭТТ включал в себя все части, представленные на рис. 1.
В качестве первичных датчиков могут выступать датчики Холла, пояса Роговского, обычные трансформаторы тока со встроенными шунтами. Кроме того, к ЭТТ относятся преобразователи тока, основанные на оптической схеме с использованием эффекта Фарадея. Первоначально была поставлена задача, связанная с заменой трансформаторов тока в ячейках 6 и 10 кВ, находящихся в эксплуатации с середины прошлого века и расположенных на старых подстанциях в центре Санкт-Петербурга. Замена должна быть проведена с отключением таких ячеек на минимально возможное время и без существенных переделок. Одновременно возникла проблема выхода из строя трансформаторов тока с литой изоляцией класса 35 кВ, находящихся в эксплуатации ОАО «РЖД». Количество таких выходов из строя в последнее время возросло в разы и продолжает расти. Возможно, это связано с распространением на железных дорогах страны локомотивов с тиристорным регулированием мощности взамен ступенчатого регулирования путем переключения обмоток вводного трансформатора. Специальных исследований этого вопроса не проводилось, но известно, что использование тиристорных управляемых выпрямителей привело к появлению больших искажений напряжения сети высшими гармониками, что способствует увеличению частичных разрядов в литой изоляции и сокращению сроков ее службы. Было принято решение использовать для гальванической развязки между цепью высокого напряжения и приемником сигнала, находящимся под потенциалом земли, оптоволоконный кабель, а информацию о величине тока в высоковольтной цепи передавать в цифровом виде. Поскольку изначально целью реализации такого технического решения была замена высоковольтных трансформаторов тока, предназначенных для коммерческого учета электроэнергии, мы стремились достигнуть точности разрабатываемого ЭТТ класса 0,2S, и это нам удалось. В качестве первичного датчика тока используется трансформатор тока ТШП-0,66 Свердловского завода класса 0,2S, нагруженный на прецизионный шунт (на рисунке 1 – Первичный детектор тока). Напряжение с шунта поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (на рисунке 1 – Первичный конвертер), откуда в виде оптических импульсов передается на сторону низкого напряжения. Приемник оптических сигналов совмещен с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), на выходе которого получается аналоговый сигнал напряжения, пропорциональный измеряемому току. Пара АЦП / ЦАП имеет 16 разрядов и тактовую частоту 60 МГц, что обеспечивает передачу информации в цифровом виде с точностью, в три раза превышающей точность первичного датчика. Выходной каскад ЭТТ преобразует это напряжение в выходной нормированный ток (на рисунке 1 все вместе это – Вторичный конвертер с аналоговым выходом напряжения, хотя на его выходе получаем не напряжение, а ток). Внешний вид опытного образца ЭТТ представлен на рис. 2.
Наиболее сложной частью решения данной задачи оказалась разработка АЦП с источником питания от измеряемого тока, находящихся на высоком потенциале относительно земли. Современная база цифровых комплектующих изделий, источников опорного напряжения и миниатюрных стабилизаторов напряжения позволила разработать пару АЦП – ЦАП, обеспечивающих требуемую точность передачи, как по амплитуде, так и по фазе. Потребление АЦП с передающим светодиодом удалось ограничить значениями 0,11‑0,12 Вт. Источник питания АЦП имеет габариты такие же, как у трансформатора тока ТШП-0,66, и в представленном ЭТТ обеспечивает достаточную энергию при первичном токе около 5 А, что составляет менее 1 процента для трансформаторов тока на первичный ток 600 А и выше. Для токов менее 600 А исследования не проводились, но принципиальных отличий не предвидится, поскольку для измерения токов 400 А и ниже используются трансформаторы тока с сердечниками меньших диаметров. При первичных токах более 100 процентов от номинального источник питания АЦП работает как трансформатор тока с закороченной вторичной обмоткой и выделяет мощность менее 5 Вт, которая без труда рассеивается металлическим корпусом АЦП. Представленный ЭТТ разработан для климатических условий отапливаемых помещений исполнения УХЛ4. Разработка АЦП для климатических исполнений УХЛ1 и У1 обязательно будет проведена, поскольку использование такого ЭТТ для коммерческого учета в цепях 110 кВ и выше, расположенных вне помещений, гораздо перспективнее. Низковольтная часть ЭТТ выполнена с использованием профиля фирмы Phoenix contact и приспособлена для крепления на дин-рейку в распределительном шкафу или ячейке. В качестве источника питания ЦАП с выходным каскадом используется аналоговый источник с выходным нестабилизированным напряжением ±9 В. Использование источника питания с высокочастотным преобразованием напряжения не представляется возможным, так как приводит к достаточно большим высокочастотным помехам в выходном токе. Сам ЦАП помещен в экран, соединенный с землей. Поскольку выходной ток ЭТТ достаточно велик, в выходном каскаде используется радиатор, так как в зависимости от значения нагрузки рассеиваемая мощность может достигать 6‑8 Вт. Технические параметры опытного образца ЭТТ приведены в таблице.
Выходной ток ЭТТ равен 1 А, что является стандартным значением для трансформаторов тока. В своей статье* Е. З. Шапиро назвал такой прибор измерительным каналом промежуточного вида, который позволяет использовать существующую систему метрологического обеспечения коммерческого учета, сохраняя большую часть преимуществ ЭТТ перед традиционными высоковольтными трансформаторами тока. В частности, поверку ЭТТ можно проводить по стандартной методике ГОСТ 8.217‑2003, что значительно упрощает процесс утверждения типа ЭТТ в качестве средства измерения. При разработке опытного образца ЭТТ основное внимание уделялось точности преобразования тока в пределах, необходимых для коммерческого учета, а именно от 1 до 120 процентов. При токах более 120‑130 процентов происходит переполнение АЦП, что не позволяет использовать данный ЭТТ для функций защиты. Надо заметить, что и в обычных трансформаторах тока обмотки, предназначенные для функций измерения и защиты, разделены. Чтобы использовать ЭТТ в системах защиты, необходимо уменьшить сопротивление прецизионного шунта на входе АЦП и изменить напряжение питания выходного каскада ЦАП. При этом точность измерения малых токов уменьшится кратно требуемому току перегрузки. При разработке опытного образца не ставилась цель его тестирования во время работы и получение сигнала Готовность. Поскольку оптический сигнал поступает на сторону низкого напряжения только при наличии тока в первичной цепи, контроль за работой ЭТТ должен проводиться только в течение времени, когда эта цепь находится под напряжением, то есть при включении соответствующего выключателя. В случае необходимости такая функция может быть легко реализована. В заключение необходимо отметить следующее. В настоящее время при эксплуатации трансформаторов тока их выходной сигнал, как правило, переводят в цифровой вид. Это касается применения как для коммерческого учета электроэнергии с помощью цифровых счетчиков электроэнергии, так и в устройствах цифровых защит. Было бы очень интересно отказаться от ЦАП в составе ЭТТ и подавать информацию о величине первичного тока в прибор измерения непосредственно в цифровом виде. При этом ЦАП использовать только для поверки ЭТТ и определения коэффициента передачи АЦП. ---- * Е. З. Шапиро. Перспективные измерительные технологии в области измерений и анализа качества электрической энергии и особенности их метрологического обеспечения / / Законодательная и прикладная метрология. – 2006, № 5. www.eprussia.ru Электронный трансформатор тока: продолжение дискуссии - Энергетика и промышленность России - № 19 (159) октябрь 2010 года - WWW.EPRUSSIA.RUГазета "Энергетика и промышленность России" | № 19 (159) октябрь 2010 года Не исключено, что сравнительный технико-экономический обзор существующих сегодня на рынке электронных и оптоэлектронных трансформаторов тока и напряжения был бы тоже интересен читателям. Мы постараемся выпустить на эту тему отдельную статью.Что касается сравнения данного ЭТТ с традиционными трансформаторами тока (далее – ТТ), то в части метрологических характеристик эти средства измерений идентичны, поскольку в ЭТТ в качестве первичного преобразователя используется как раз традиционный ТТ, а канал передачи данных имеет погрешность более чем в три раза меньше, чем у используемого ТТ, что позволяет ею пренебречь. Основное отличие данного ЭТТ от традиционных ТТ является отсутствие высоковольтной изоляции при измерении тока в цепях, находящихся под любым высоким потенциалом, что и определяет технико-экономический эффект от его использования. Первичный преобразователь, которым является традиционный ТТ класса 0,66 кВ, установленный в высоковольтной цепи, связан с этой цепью гальванически и находится под высоким потенциалом. Под этим же потенциалом находится аналогово-цифровой преобразователь (далее – АЦП) с оптическим выходом и его источник питания. Информация об измеряемом токе в цифровом виде по оптоволоконному кабелю поступает на сторону низкого потенциала, где вновь преобразуется в ток. Габариты и масса высоковольтной части ЭТТ настолько малы, что позволяют размещать ее на высоковольтных шинах ячеек или на проводах высоковольтных линий электропередачи без использования дополнительных изоляторов. Таким образом, ЭТТ легко размещается в ячейках 6‑10 кВ, может быть установлен как взамен имеющимся ТТ, так и в цепях, где ТТ отсутствует, но где потребовалось измерение тока. Кстати, по поводу частичных разрядов в литой изоляции ТТ, устанавливаемых на железных дорогах России. Применение ТТ с масляной изоляцией здесь запрещено уже давно. Показатели качества электроэнергии на железных дорогах России оставляют желать много лучшего. Нередки случаи, когда напряжения по третьей и пятой гармонике в контактной сети составляет 50 процентов и более от напряжения первой гармоники. Соответственно, токи смещения повышенной частоты по изоляции ТТ оказываются в разы больше, чем токи, протекающие при номинальном напряжении на основной гармонике. Авторы предполагают, что такой режим работы ТТ может приводить к преждевременному старению изоляции ТТ и выходу ее из строя. Из вышесказанного следуют преимущества ЭТТ перед традиционными ТТ. Помимо уменьшения габаритов и массы изделия, значительно повышается надежность и безопасность устройства. ЭТТ не чувствителен к перенапряжениям, грозовым импульсам и обеспечивает защиту низковольтной аппаратуры и работающего с ней персонала от попадания высокого напряжения даже при серьезных авариях в силовых цепях. При описании работы низковольтной части ЭТТ, возможно, была допущена неоднозначная терминология в описании источника питания выходного каскада. Результаты исследований показали, что современные импульсные источники питания с преобразованием на высокой частоте не годятся для питания выходного каскада ЭТТ. Поэтому был использован линейный или аналоговый источник с трансформатором частотой 50 Гц на входе. Стабилизация напряжения питания не применялась, поскольку не требовалась. Для питания АЦП в высоковольтной части ЭТТ применяется дополнительный трансформатор с размерами сердечника такими же, как и у измерительного ТТ. Это сделано в целях технологичности конструкции и позволяет выполнить высоковольтную часть ЭТТ в малых габаритах. При малых токах, начиная с 0,9 процента от номинального тока в высоковольтной шине, трансформатор питания АЦП работает в режиме трансформатора напряжения. При токах, близких к максимальному, до 100 процентов от номинального и более, трансформатор питания АЦП работает в режиме трансформатора тока с короткозамкнутой вторичной обмоткой для снижения тепловыделения высоковольтной части ЭТТ. К отличиям ЭТТ от традиционных ТТ относится наличие времени активации. При отсутствии тока в цепи имеется задержка от момента появления тока до появления выходного сигнала на выходе ЭТТ, которая и называется временем активации. Для описываемого ЭТТ время активации не превышает 5 мс, что не влияет на точность измерения тока при коммерческом учете, но необходимо учитывать при использовании ЭТТ в целях защиты, особенно в цепях 6‑10 кВ, где быстродействие выключателей не превышает 30 мс. В цепях напряжением 27,5 кВ и более, где время срабатывания выключателей более чем на порядок выше, временем активации ЭТТ можно пренебречь. И в заключение хотелось бы затронуть очень важный вопрос оцифровки сигнала ЭТТ, пропорционального измеряемому току. В настоящее время на входах всех без исключения электронных устройств измерения и релейной защиты стоят внутренние трансформаторы тока, рассчитанные на вторичные токи стандартных ТТ – 1 или 5 А. Вторичные обмотки внутренних ТТ нагружены на шунты, сигналы с которых поступают на входы внутренних АЦП для того, чтобы последующая обработка информации осуществлялась в цифровом виде. В случае применения ЭТТ токовый сигнал преобразуется в цифровую форму дважды. Первоначально в АЦП высоковольтного блока ЭТТ, а затем после восстановления в нормированный ток во внутреннем АЦП стандартного измерительного устройства. Для того чтобы избежать такого двойного преобразования, имеются два пути. Один из них – это изготовление счетчиков электроэнергии или терминалов защиты «прямого действия». Во избежание путаницы в терминологии имеются в виду устройства, в состав которых входит ЭТТ, а также, при необходимости, и трансформаторы напряжения или емкостные делители с АЦП на выходе. Информация о токе и напряжении поступает в блок обработки в цифровом виде уже гальванически развязанная с помощью оптоволоконного кабеля. Второй путь, гораздо более перспективный,– это создание стандарта, согласно которому цифровой сигнал с ЭТТ (или других средств измерения с цифровым выходом) должен иметь определенный стандартный вид. При этом разработка таких средств измерений и устройств измерения и защиты с цифровыми входами может осуществляться различными фирмами и стыковаться между собой на месте эксплуатации. Необходимость такого стандарта очевидна, и его разработка это вопрос времени. Можно считать, что она уже началась. В частности, необходимо создать методику поверки ЭТТ с цифровым выходом. Мы предполагаем разработать эталонный цифро-аналоговый преобразователь, с помощью которого производить поверку ЭТТ имеющимися эталонными средствами измерения. Если читателей заинтересует эта проблема или появится желание принять участие в ее решении, мы всегда готовы к сотрудничеству. www.eprussia.ru Электронный трансформатор токаПредлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерительным преобразователям тока (ИПТ) и предназначено для прецизионного измерения широкого диапазона токов, особенно удобно для применения в высоковольтных сетях и энергосистемах. Электронный трансформатор тока (ЭТТ) содержит входной измерительный трансформатор тока 2 с первичной 3, измерительной 4 и обратной связи 5 обмотками, а также предварительный усилитель 6, фазовращатель 7, регулируемый усилитель 8, усилитель мощности 9, токоограничительный резистор 10, выходной согласующий трансформатор 11 с первичной 12 и вторичной 13 обмотками. При этом в устройство введены токозадающий резистор 14, операционный усилитель 15, эталонный усилитель 16, измерительный резистор 17 и схему сравнения 18. Техническим результатом является значительное снижение токовой и угловой погрешностей; уменьшение массы, габаритов и стоимости применяемых ИТТ; расширение диапазона измеряемых токов; инвариантность ЭТТ к изменению сопротивления нагрузки; повышение температурной и временной стабильности. 1 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике и предназначено для прецизионных измерений широкого диапазона токов, особенно в высоковольтных сетях и энергосистемах. Из широкого ряда измерительных преобразователей тока (ИПТ) выделен ряд ИПТ, получивший название электронные трансформаторы тока (ЭТТ), отличительным признаком которых является наличие в них промежуточного преобразования измеряемого тока с помощью электронных схем [1]. Широкое применение получили компенсационные ИПТ на основе измерительных трансформаторов тока (ИТТ), в которых первичный магнитный поток, создаваемый измеряемым током, компенсируется магнитным потоком противоположенного направления, создаваемого током, протекающим через обмотку обратной связи ИТТ [2]. Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются ИПТ, в которых для снижения массы, габаритов и стоимости ток первичных обмоток, используемых в них малогабаритных ИТТ, снижается в сотни раз путем параллельного подключения их к участкам цепи измеряемого тока вдоль оси их протекания [3, 4, 5, 6]. Для работы с приборами, имеющими токовые входы, например счетчики электроэнергии и мощности, в таких ИПТ используются выходные согласующие трансформаторы (ВСТ). Недостатком таких ИПТ является то, что миниатюризация применяемых в них трансформаторов значительно ухудшает линейность их магнитных характеристик, а это приводит к значительному увеличению токовой и угловой погрешности ИПТ, что не позволяет использовать такие ИПТ в качестве прецизионных и образцовых измерителей тока. Выявленные недостатки ИПТ устраняются или сводятся к минимуму в предлагаемой реализации ЭТТ. Целью предлагаемого технического решения является значительное снижение токовой и угловой погрешностей ЭТТ путем линеаризации и стабилизации магнитных характеристик входящих в их состав малогабаритных трансформаторов. Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение следующих характеристик ЭТТ: - значительное снижение токовой и угловой погрешностей; - уменьшение массы, габаритов и стоимости применяемых ИТТ; - расширение диапазона измеряемых токов; - инвариантность ЭТТ к изменению сопротивления нагрузки; - повышение температурной и временной стабильности. Технический результат достигается тем, что в электронном трансформаторе тока, содержащем входной измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, кроме этого операционный усилитель прямым входом соединен с выходом предварительного усилителя, а его инвертирующий вход соединен с одним из концов обмотки обратной связи входного трансформатора и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов нового элемента схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом упомянутого регулируемого усилителя. Проведенный анализ существующего уровня электроизмерительной техники не выявил наличия аналога с признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а также показал наличие новой совокупности признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют реализовать поставленную цель. На чертеже приведена структурная схема ЭТТ. ЭТТ содержит токопровод 1, входной измерительный трансформатор тока 2 с первичной 3, измерительной 4 и обратной связи 5 обмотками, а также предварительный усилитель 6, фазовращатель 7, регулируемый усилитель 8, усилитель мощности 9, токоограничительный резистор 10, выходной согласующий трансформатор 11 с первичной 12 и вторичной 13 обмотками, токозадающий резистор 14, операционный усилитель 15, эталонный усилитель 16, измерительный резистор 17 и схему сравнения 18. Для снижения веса, габаритов и стоимости ЭТТ в них применяются малогабаритные измерительные трансформаторы тока (ИТТ). Это полезная и необходимая мера, но она значительно ухудшает магнитные характеристики и параметры ИТТ. Значительное улучшение магнитных характеристик ИТТ и эффективная стабилизация параметров ЭТТ в целом осуществляется данным техническим решением, превращает ЭТТ в прецизионное средство измерения и осуществляется это следующим образом. Через токопровод 1 протекает измеряемый ток Iн сетевой нагрузки. Параллельно точкам «a» и «b», расположенным вдоль оси протекания тока Iн, подсоединена первичная обмотка 3 ИТТ 2, таким образом токопровод становится эквивалентом шунта, многократно ослабляющим (до сотен раз) ток Iп первичной обмотки. При этом ток Iп, проходя через индуктивное сопротивление первичной обмотки, сдвигается по фазе относительно тока Iн на величину, достигающую нескольких десятков градусов, и наводит в измерительной обмотке 4 напряжение Uвх, которое усиливается предварительным усилителем (ПУ) 6, выходное напряжение Uпу которого поступает на вход фазовращателя 7, обеспечивающего компенсацию фазового сдвига напряжения первичной обмотки 3 ИТТ 2. Затем напряжение Uпу подается на прямой вход операционного усилителя (ОУ) 15, выход и инверсный вход которого соединены с обмоткой обратной связи (ОС) 5. Такое включение ОУ 15 позволяет ему одновременно выполнять три очень важные функции, а именно: - преобразование напряжение-ток; - стабилизацию параметров и характеристик ИТТ 2; - эффективную отрицательную обратную связь. ОУ 15 включен по схеме преобразователя напряжение-ток (ПНТ), токовой нагрузкой которого является обмотка ОС 5, ток которой зависит только от вариации двух величин, а именно напряжения Uпу и номинала токозадающего резистора 14 и практически не зависит от вариации нестабильности характеристик самой обмотки ОС 5. Благодаря этому уникальному свойству созданное обмоткой ОС 5 магнитное поле, воздействуя на магнитное поле, созданное первичной обмоткой 3, создает результирующее магнитное поле, линеаризующее и стабилизирующее параметры и характеристики ИТТ 2 и подавляющее (даже не учтенные) погрешности преобразования. Известно, что стабильность параметров и характеристик любого устройства повышается с ростом глубины охватывающей его отрицательной ОС (ООС), поэтому ИТТ 2, ПУ 7 и обмотка ОС 5 включены таким образом, что образуют петлю глубокой ООС, в которой ОУ выполняет роль эффективного регулятора следящей ООС, иначе говоря, выполняет функцию дополнительного стабилизатора параметров и характеристик ИТТ 2. Далее работа ЭТТ происходит следующим образом. Напряжение Uф с выхода фазовращателя 7 поступает на сигнальный вход регулируемого усилителя (РУ) 8, выходное напряжение Upy которого поступает на вход усилителя мощности 9, выход которого через токоограничительный резистор 10 поступает на первичную обмотку 12 выходного согласующего трансформатора (ВСТ) 11, вторичная обмотка 13 которого является токовым выходом ЭТТ. Значительное снижение погрешностей и повышение стабильности характеристик и параметров ВСТ 11 может быть реализовано только включением его в петлю глубокой ООС, а для этого необходимо произвести оценку уровня погрешности ВСТ 11. Эта оценка производится дифференциально-нулевым методом, для этого напряжение Uвых (точка «с») первичной обмотки ВСТ 11 поступает на один из входов схемы сравнения (СС) 18, а на другой ее вход поступает эталонное (образцовое) напряжение Uэ, формируемое эталонным усилителем (ЭУ) 16 на его нагрузке измерительном резисторе 17 (точка d). Выходное напряжение СС 18, несущее информацию об отклонении напряжения Uвых от напряжения Uэ, поступает на управляющий вход РУ 8 и, тем самым, объединяет в петлю глубокой ООС РУ 8, УМ 9, ВСТ 11 и СС 18. Действие этой петли ООС линеаризует и повышает стабильность характеристик и параметров ВСТ 11. Таким образом, оба трансформатора (ИТТ 2 и ВСТ 11) охвачены глубокой ООС. Во всех приборах измерения тока токовая и угловая (фазовая) погрешности, входящих в их состав ИТТ и других трансформаторов, имеют максимальные значения на начальном участке измеряемых токов. Именно на этом участке в ЭТТ эффективно работает введенная в него жесткая ООС, благодаря которой токовая и угловая (фазовая) погрешности снижаются в 3÷5 раз, и во всем диапазоне благодаря действию ООС улучшается температурная и долговременная стабильность параметров ЭТТ. Эти доступные и недорогие меры позволяют реализовать поставленную цель и превратить ЭТТ в малогабаритное прецизионное средство измерения широкого диапазона токов с высокой точностью (минимизация токовой и угловой погрешностей) и стабильностью результатов измерений. Литература 1. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока (часть 8). 2. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 3. Рожнов Е.И. Патент РФ №2176088. Измерительный преобразователь. 4. Рожнов Е.И. Патент РФ №2224262. Измерительный преобразователь тока. 5 Рожнов Е.И. Патент РФ №2224266. Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока. 6. Рожнов Е.И. Патент РФ №2300774. Измерительный преобразователь. Электронный трансформатор тока, содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, отличающийся тем, что выход предварительного усилителя соединен с прямым входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с одним из концов обмотки обратной связи измерительного трансформатора тока и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом регулируемого усилителя. www.findpatent.ru Электронный трансформатор токаИзобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для прецизионного измерения широкого диапазона токов. Технический результат: повышение устойчивости работы электронного трансформатора тока при воздействии электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов, а также улучшение его метрологических характеристик. Сущность: предварительный усилитель выполнен в виде первого и второго измерительных усилителей, входы регулировки усиления которых, соединены с установочными резисторами. Один из выходов второй обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам инвертирующего первого и неинвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные первую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом первого измерительного усилителя. Второй выход второй обмотки измерительного трансформатора тока подключен к входам неинвертирующего первого и инвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные вторую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом второго измерительного усилителя. Выходы измерительных усилителей соединены с соответствующими дифференциальными входами блока обработки сигналов, парафазные выходы которого являются выходами устройства. 1 ил.
Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для прецизионного измерения токов и может быть использовано в приборах измерения энергии и мощности в электросетях, энергосистемах, приборах энергосбережения и релейной защиты. Известны электронные трансформаторы тока - ЭТТ (см., ГОСТ Ρ МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока, часть 8), основой которых являются первичные датчики тока на основе измерительных трансформаторов, предварительных усилителей и устройств обработки сигналов, представляющих собой преобразователи выходных сигналов датчиков в вид, удобный для измерений, регистрации и передачи их другим измерительным приборам по доступным физическим линиям связи [1]. Широко распространены ЭТТ (см. М.Б. Лейтман, 1986, Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов, Москва, Энергоатомиздат), в которых первичный магнитный поток, создаваемый измеряемым током, автоматически компенсируется магнитным потоком противоположного знака, создаваемого входящими в их состав регуляторами отрицательной обратной связи [2]. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является электронный трансформатор тока (см. патент RU №2555524, МПК G01R 19/00, публикация от 10.07.2015), содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, отличающийся тем, что выход предварительного усилителя соединен с прямым входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с одним из концов обмотки обратной связи измерительного трансформатора тока и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом регулируемого усилителя [3]. Включение первичной обмотки измерительного трансформатора тока (ИТТ) параллельно участку цепи измеряемого тока вдоль оси его протекания улучшает технические и эксплуатационные характеристики ЭТТ, но снижает устойчивость к воздействию электромагнитных полей (ЭМП) и других дестабилизирующих факторов (ДФ). Ярким примером таких ДФ, требующих принятия специальных мер по защите от их воздействия, являются ЭМП, создаваемые мощными промышленными генераторами и потребителями электроэнергии. При больших уровнях ЭМП и совпадении их частот с рабочей частотой ЭТТ, в нем могут возникнуть столь сильные синфазные помехи, при которых нарушается устойчивая работа ЭТТ, а метрологические характеристики могут выйти за рамки приемлемых значений. Для реализации оптимального режима работы ЭТТ в таких условиях необходимо значительно повысить коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). Предлагаемый электронный трансформатор тока специально разработан для реализации в нем максимально возможного КОСС, необходимого для повышения устойчивости его работы при воздействии больших ЭМП и других ДФ. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение устойчивости работы электронного трансформатора тока при воздействии электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов, а также улучшение его метрологических характеристик. Технический результат достигается тем, что в электронный трансформатор тока, содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, предварительный усилитель и блок обработки сигналов, предварительный усилитель выполнен в виде первого и второго измерительных усилителей, входы регулировки усиления которых соединены с установочными резисторами, причем один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам инвертирующего первого и неинвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные первую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом первого измерительного усилителя, а другой вывод вторичной обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам неинвертирующего первого и инвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные вторую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом второго измерительного усилителя, причем выходы измерительных усилителей соединены с соответствующими дифференциальными входами блока обработки сигналов, парафазные выходы которого являются выходами устройства. Сущность предложенного технического решения заключается в том, что при указанном включении, ЭТТ минимизирует уровень синфазных помех, поэтому при воздействии большого уровня ЭМП и других дестабилизирующих и возмущающих факторов сохраняется устойчивая работа ЭТТ и стабильность его метрологических характеристик. Известно, что максимальным КООС обладают дифференциальные и строго симметричные структуры, поэтому предложенный ЭТТ выполнен в соответствии с этими требованиями. Для повышения КООС, в ЭТТ введен симметрирующий трансформатор, напряжения с обмоток которого, воздействуя на вторичную обмотку ИТТ, образуют цепь отрицательной обратной связи (ООС) по току, что способствует линеаризации и стабилизации магнитных характеристик ИТТ и дополнительно ослабляет все виды возмущающих воздействий на ЭТТ в целом. Такая реализация ЭТТ позволяет получить хорошие метрологические, технические и эксплуатационные характеристики, которые можно использовать в прецизионной электроизмерительной технике. Проведенный анализ существующего уровня электроизмерительной техники не выявил наличия аналога с признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а также показал наличие новой совокупности признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют реализовать поставленную цель. Положительным результатом предлагаемого технического решения является: - значительное ослабление влияния электромагнитных полей на метрологические характеристики; - значительное ослабление влияния других ДФ; - повышение устойчивости работы ЭТТ; - расширение диапазона измеряемых токов. Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными позволяют успешно реализовать поставленную цель. Сущность технического решения поясняется чертежом. Электронный трансформатор тока содержит токопровод 1, входной измерительный трансформатор тока 2 с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, первый 7 и второй 8 измерительные усилители, установочные резисторы 5 и 6, симметрирующий трансформатор 9 с первой 10 и второй 11 обмотками, согласующие резисторы 12 и 13 и блок 14 обработки сигналов с выходными клеммными зажимами 15 и 16. ЭТТ, в указанном включении, решает две взаимосвязанные задачи: - для улучшения метрологических характеристик обеспечивает оптимальное согласование по току вторичной обмотки ИТТ с усилительной частью ЭТТ; - для повышения устойчивости к дестабилизирующим факторам и синфазным помехам обеспечивает строгую симметрию дифференциальной структуры ЭТТ в целом (именно такая структура обладает максимальным КОСС). Решение этих задач осуществляется следующим образом. Через токопровод 1 протекает измерительный ток IH нагрузки. Параллельно точкам "а" и "б", расположенным вдоль оси протекания тока, подсоединена первичная обмотка 3 ИТТ 2, таким образом, токопровод является эквивалентом шунта, многократно (до сотен раз) ослабляющим ток IH первичной обмотки. Для улучшения и стабилизации параметров ИТТ с его вторичной обмотки 4 снимается сигнал тока, а не напряжения, как в большинстве случаев. С этой целью выводы обмотки 4 соединены с инвертирующими входами двух дифференциально включенных измерительных усилителей, которые благодаря жесткой ООС, осуществляемой первой и второй обмотками симметрирующего трансформатора 9 и согласующими резисторами 12 и 13, работают в режиме стабильных источников тока. При таком включении на инвертирующих входах измерительных усилителей обеспечивается "виртуальный ноль" напряжения, поэтому замкнутая на эти входы вторичная обмотка ИТТ находится в режиме, близком к режиму "короткого замыкания", что является необходимым условием для стабильной работы ИТТ в широком диапазоне измеряемых токов. Улучшение метрологических характеристик особенно заметно при измерениях малых токов. Значительный вклад в улучшение метрологических характеристик и повышение устойчивости работы ЭТТ, при воздействии дестабилизирующих факторов, вносит симметрирующий трансформатор 9, который, даже при несимметричном воздействии дестабилизирующих факторов на дифференциальные каналы усиления ЭТТ, выравнивает их коэффициенты усиления, что позволяет сохранить симметрию всей структуры ЭТТ в целом и обеспечить тем самым максимальный КОСС. Этой же цели служит симметричная реализация ООС в обоих каналах усиления, а также строгая симметрия структуры блока обработки сигналов 14. Для оценки заявленных возможностей предложенного технического решения были изготовлены макетные образцы ЭТТ с применением малогабаритных ИТТ класса 0,5. Испытания проводились на номинальных токах 50, 100, 250, 500 и 1000 А. Диапазон измеряемых токов был расширен с (5÷120)% IH до (1÷150)% IH, а в качестве источника ЭМП использовался эталонный двухступенчатый трансформатор тока "ИТТ-3000-5". Результаты испытаний показали, что метрологические характеристики в указанном диапазоне токов соответствуют классу 0,5S по ГОСТ Ρ МЭК 60044-8-2010. Столь значительное улучшение метрологических характеристик и расширение диапазона измеряемых токов достигнуто благодаря повышению устойчивости работы ЭТТ, особенно на начальном участке вплоть до 1% IH, то есть на участке, где воздействие любых дестабилизирующих факторов проявляется особенно сильно. Полученные результаты подтверждают возможность реализации поставленной цели простыми и недорогими средствами. Технико-экономическим преимуществом предложенного решения является значительное снижение токовой и угловой погрешностей электронного трансформатора тока, путем линеаризации и стабилизации магнитных характеристик малогабаритных трансформаторов, путем охвата каждого из них жесткой отрицательной обратной связью, превращая его в прецизионное (высокоточное) средство измерения широкого диапазона токов. Литература 1. ГОСТ Ρ МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока (часть 8). 2. М.Б. Лейтман, Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов, Москва, Энергоатомиздат, 1986. 3. Е.И. Рожнов, Патент RU №2555524, МПК G01R 19/00, публикация от 10.07.2015, Электронный трансформатор тока. Электронный трансформатор тока, содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, предварительный усилитель и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что предварительный усилитель выполнен в виде первого и второго измерительных усилителей, входы регулировки усиления которых соединены с установочными резисторами, причем один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам инвертирующего первого и неинвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные первую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом первого измерительного усилителя, а другой вывод вторичной обмотки измерительного трансформатора тока подключен соответственно к входам неинвертирующего первого и инвертирующего второго измерительных усилителей и через последовательно связанные вторую обмотку симметрирующего трансформатора и согласующего резистора с выходом второго измерительного усилителя, причем выходы измерительных усилителей соединены с соответствующими дифференциальными входами блока обработки сигналов, парафазные выходы которого являются выходами устройства. www.findpatent.ru Zelisko - Электронные трансформаторы тока (ЭТТ) SMCS/T-JW1002 монтируемый на кабеле (с разъемным сердечником)Этот фазный ЭТТ используется для дооснащения существующих КРУЭ в подстанциях. Система с защёлкиванием позволяет произвести монтаж на месте без инструмента. Демонтаж т-образного штекера не требуется, так как ЭТТ охватывает кабель. ЭТТ фиксируется на кабель при помощи прилагаемой кабельной стяжки. При помощи точного производства поверхности сечения железного сердечника и специально разработанной пружинной системы в корпусе ЭТТ достигается высокая точность измерения после мотыжа. Конструкция имеет прочный дизайн с классом точности до 1 по ГОСТ Р МЭК 60044-8 (будущий МЭК 61869 – 10).  SMCS-JW1001 монтируемый на токопроводе (с цельным сердечником)Фазный ЭТТ отличается простотой оснащения КРУ/КРУЭ при первичной сборке. Он насаживается на т-образный адаптер или монтируется на проходных изоляторах кабельного присоединения. Как только т-образный адаптер затягивается на присоединении, внешняя оболочка адаптера растягивается. Следовательно, внешняя оболочка давит на внутреннюю сторону ЭТТ и фиксирует его. Из-за низкого отклонения в конструкции, ЭТТ предлагается в тройном комплекте со стандартным отклонением 0,05% или 0,05° соответствующей токовой и угловой погрешности. В связи с низкой погрешностью в тройном комплекте, возможна и функция обнаружение короткого замыкания на землю. Дополнительный трансформатор для обнаружение замыкания на землю не требуется. Небольшой размер позволяет монтаж до 3 -х ЭТТ (расстояние между фазами 95мм) в ячейку кабельного подключения шириной до 300мм.  GAE120/SENS-JW1003 (с разъемным сердечником)ЭТТ для обнаружения замыкания на землю тип GAE120/SENS основан на проверенном и апробированном на рынке продукте. Все кабельные линии КРУ/КРУЭ проходят через трансформатор. При асимметрии в трёхфазной сети (например, замыкание на землю) образуется ток в нейтральной точке. Под воздействием этого тока формируется определенное соотношение напряжения на выходе ЭТТ. Цель этой системы -обнаружение короткого замыкания и его направление. ЭТТ объединяет технологию индуктивного трансформатора и технологию ЭТТ с испытанной системой крепления. При помощи точного производства поверхности сечения железного сердечника достигается высокая точность измерения после сборки..  SMCS3-JW1004 (с цельным сердечником)Трехфазный ЭТТ объединяет универсальность и максимальную производительность. Вполне возможно встроить к трем однофазным трансформаторам один трансформатор для обнаружения замыкания на землю (максимальная комбинация трансформаторов). По желанию заказчика возможны и другие элементарные варианты. Этот ЭТТ предназначен для оснащения КРУЭ, комплектующегося на заводе. Преимущество этого ЭТТ состоит в том, что он включает четыре трансформатора. Габарит ЭТТ не изменяется, независимо от конфигурации заказчика. Благодаря сердечнику с цельной формой, достигаются более высокие классы точности, чем у ЭТТ с разъемным сердечником. По запросу заказчика габарит ЭТТ и межфазное расстояние варьируются.  www.zelisko.at ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКАПредлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике и предназначено для прецизионных измерений широкого диапазона токов, особенно в высоковольтных сетях и энергосистемах. Из широкого ряда измерительных преобразователей тока (ИПТ) выделен ряд ИПТ, получивший название электронные трансформаторы тока (ЭТТ), отличительным признаком которых является наличие в них промежуточного преобразования измеряемого тока с помощью электронных схем [1]. Широкое применение получили компенсационные ИПТ на основе измерительных трансформаторов тока (ИТТ), в которых первичный магнитный поток, создаваемый измеряемым током, компенсируется магнитным потоком противоположенного направления, создаваемого током, протекающим через обмотку обратной связи ИТТ [2]. Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются ИПТ, в которых для снижения массы, габаритов и стоимости ток первичных обмоток, используемых в них малогабаритных ИТТ, снижается в сотни раз путем параллельного подключения их к участкам цепи измеряемого тока вдоль оси их протекания [3, 4, 5, 6]. Для работы с приборами, имеющими токовые входы, например счетчики электроэнергии и мощности, в таких ИПТ используются выходные согласующие трансформаторы (ВСТ). Недостатком таких ИПТ является то, что миниатюризация применяемых в них трансформаторов значительно ухудшает линейность их магнитных характеристик, а это приводит к значительному увеличению токовой и угловой погрешности ИПТ, что не позволяет использовать такие ИПТ в качестве прецизионных и образцовых измерителей тока. Выявленные недостатки ИПТ устраняются или сводятся к минимуму в предлагаемой реализации ЭТТ. Целью предлагаемого технического решения является значительное снижение токовой и угловой погрешностей ЭТТ путем линеаризации и стабилизации магнитных характеристик входящих в их состав малогабаритных трансформаторов. Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение следующих характеристик ЭТТ: - значительное снижение токовой и угловой погрешностей; - уменьшение массы, габаритов и стоимости применяемых ИТТ; - расширение диапазона измеряемых токов; - инвариантность ЭТТ к изменению сопротивления нагрузки; - повышение температурной и временной стабильности. Технический результат достигается тем, что в электронном трансформаторе тока, содержащем входной измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, кроме этого операционный усилитель прямым входом соединен с выходом предварительного усилителя, а его инвертирующий вход соединен с одним из концов обмотки обратной связи входного трансформатора и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов нового элемента схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом упомянутого регулируемого усилителя. Проведенный анализ существующего уровня электроизмерительной техники не выявил наличия аналога с признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а также показал наличие новой совокупности признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют реализовать поставленную цель. На чертеже приведена структурная схема ЭТТ. ЭТТ содержит токопровод 1, входной измерительный трансформатор тока 2 с первичной 3, измерительной 4 и обратной связи 5 обмотками, а также предварительный усилитель 6, фазовращатель 7, регулируемый усилитель 8, усилитель мощности 9, токоограничительный резистор 10, выходной согласующий трансформатор 11 с первичной 12 и вторичной 13 обмотками, токозадающий резистор 14, операционный усилитель 15, эталонный усилитель 16, измерительный резистор 17 и схему сравнения 18. Для снижения веса, габаритов и стоимости ЭТТ в них применяются малогабаритные измерительные трансформаторы тока (ИТТ). Это полезная и необходимая мера, но она значительно ухудшает магнитные характеристики и параметры ИТТ. Значительное улучшение магнитных характеристик ИТТ и эффективная стабилизация параметров ЭТТ в целом осуществляется данным техническим решением, превращает ЭТТ в прецизионное средство измерения и осуществляется это следующим образом. Через токопровод 1 протекает измеряемый ток Iн сетевой нагрузки. Параллельно точкам «a» и «b», расположенным вдоль оси протекания тока Iн, подсоединена первичная обмотка 3 ИТТ 2, таким образом токопровод становится эквивалентом шунта, многократно ослабляющим (до сотен раз) ток Iп первичной обмотки. При этом ток Iп, проходя через индуктивное сопротивление первичной обмотки, сдвигается по фазе относительно тока Iн на величину, достигающую нескольких десятков градусов, и наводит в измерительной обмотке 4 напряжение Uвх, которое усиливается предварительным усилителем (ПУ) 6, выходное напряжение Uпу которого поступает на вход фазовращателя 7, обеспечивающего компенсацию фазового сдвига напряжения первичной обмотки 3 ИТТ 2. Затем напряжение Uпу подается на прямой вход операционного усилителя (ОУ) 15, выход и инверсный вход которого соединены с обмоткой обратной связи (ОС) 5. Такое включение ОУ 15 позволяет ему одновременно выполнять три очень важные функции, а именно: - преобразование напряжение-ток; - стабилизацию параметров и характеристик ИТТ 2; - эффективную отрицательную обратную связь. ОУ 15 включен по схеме преобразователя напряжение-ток (ПНТ), токовой нагрузкой которого является обмотка ОС 5, ток которой зависит только от вариации двух величин, а именно напряжения Uпу и номинала токозадающего резистора 14 и практически не зависит от вариации нестабильности характеристик самой обмотки ОС 5. Благодаря этому уникальному свойству созданное обмоткой ОС 5 магнитное поле, воздействуя на магнитное поле, созданное первичной обмоткой 3, создает результирующее магнитное поле, линеаризующее и стабилизирующее параметры и характеристики ИТТ 2 и подавляющее (даже не учтенные) погрешности преобразования. Известно, что стабильность параметров и характеристик любого устройства повышается с ростом глубины охватывающей его отрицательной ОС (ООС), поэтому ИТТ 2, ПУ 7 и обмотка ОС 5 включены таким образом, что образуют петлю глубокой ООС, в которой ОУ выполняет роль эффективного регулятора следящей ООС, иначе говоря, выполняет функцию дополнительного стабилизатора параметров и характеристик ИТТ 2. Далее работа ЭТТ происходит следующим образом. Напряжение Uф с выхода фазовращателя 7 поступает на сигнальный вход регулируемого усилителя (РУ) 8, выходное напряжение Upy которого поступает на вход усилителя мощности 9, выход которого через токоограничительный резистор 10 поступает на первичную обмотку 12 выходного согласующего трансформатора (ВСТ) 11, вторичная обмотка 13 которого является токовым выходом ЭТТ. Значительное снижение погрешностей и повышение стабильности характеристик и параметров ВСТ 11 может быть реализовано только включением его в петлю глубокой ООС, а для этого необходимо произвести оценку уровня погрешности ВСТ 11. Эта оценка производится дифференциально-нулевым методом, для этого напряжение Uвых (точка «с») первичной обмотки ВСТ 11 поступает на один из входов схемы сравнения (СС) 18, а на другой ее вход поступает эталонное (образцовое) напряжение Uэ, формируемое эталонным усилителем (ЭУ) 16 на его нагрузке измерительном резисторе 17 (точка d). Выходное напряжение СС 18, несущее информацию об отклонении напряжения Uвых от напряжения Uэ, поступает на управляющий вход РУ 8 и, тем самым, объединяет в петлю глубокой ООС РУ 8, УМ 9, ВСТ 11 и СС 18. Действие этой петли ООС линеаризует и повышает стабильность характеристик и параметров ВСТ 11. Таким образом, оба трансформатора (ИТТ 2 и ВСТ 11) охвачены глубокой ООС. Во всех приборах измерения тока токовая и угловая (фазовая) погрешности, входящих в их состав ИТТ и других трансформаторов, имеют максимальные значения на начальном участке измеряемых токов. Именно на этом участке в ЭТТ эффективно работает введенная в него жесткая ООС, благодаря которой токовая и угловая (фазовая) погрешности снижаются в 3÷5 раз, и во всем диапазоне благодаря действию ООС улучшается температурная и долговременная стабильность параметров ЭТТ. Эти доступные и недорогие меры позволяют реализовать поставленную цель и превратить ЭТТ в малогабаритное прецизионное средство измерения широкого диапазона токов с высокой точностью (минимизация токовой и угловой погрешностей) и стабильностью результатов измерений. Литература 1. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока (часть 8). 2. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 3. Рожнов Е.И. Патент РФ №2176088. Измерительный преобразователь. 4. Рожнов Е.И. Патент РФ №2224262. Измерительный преобразователь тока. 5 Рожнов Е.И. Патент РФ №2224266. Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока. 6. Рожнов Е.И. Патент РФ №2300774. Измерительный преобразователь. Электронный трансформатор тока, содержащий измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, отличающийся тем, что выход предварительного усилителя соединен с прямым входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с одним из концов обмотки обратной связи измерительного трансформатора тока и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом регулируемого усилителя. edrid.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
