Цифровые измерительные трансформаторы

Инновационные технологии развития систем автоматизации, учета электроэнергии и управления в энергетике привели к широкому применению микропроцессорных устройств, которые обладают несомненными преимуществами перед микроэлектронными и электромеханическими.

Так как измерения должны формироваться на выходе измерительного трансформатора в виде цифрового потока, это обусловливает необходимость разработки трансформаторов с новыми принципами функционирования и применением новейших технологий в области электроники и вычислительной техники. Независимо от принципа функционирования любой цифровой измерительный трансформатор имеет в своей конструкции три основных функциональных блока [15]:

· блок аналоговых измерений;

· блок аналого-цифрового преобразования;

· блок сопряжения с шиной.

Блок аналоговых измерений – это аналоговый датчик, характеризующийся коэффициентом трансформации и областью изменения погрешности. Он предназначен для изменения кривой первичного тока или напряжения до значений, пригодных для оцифровки сигнала. Это может быть катушка с ферромагнитным сердечником, оптический сенсор на эффекте Фарадея, резистивный шунт и т.д.

Блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) предназначен для оцифровки аналогового сигнала, поступающего от блока аналоговых измерений, и передачи цифровых данных в блок сопряжения.

Блок сопряжения с шиной (БСШ) предназначен для формирования пакетов измененных значений аналоговых величин, хранения конфигураций, обеспечения синхронизации измерений для всей шины процесса (шина процесса, локальная вычислительная сеть, т.е. виртуальная структура связи)

Два последних блока, как правило, собираются из серийных комплектующих элементов (микроконтроллеры, микросхемы и др.) и оснащаются соответствующим программным обеспечением, обусловливающим логику работы.

Одним из примеров источника цифровых измерений является традиционный (электромагнитный) измерительный трансформатор с подключенным к выводам вторичных обмоток устройством сопряжения с шиной (УСШ). Недостатком является то, что в измерительном тракте появляется еще один компонент, вносящий дополнительную погрешность в результаты измерения, так как в УСШ применены аналоговые преобразователи (как правило, трансформаторы тока и резистивные делители), которые, как и любой аналоговый датчик, имеют собственные погрешности. Кроме того, традиционные измерительные трансформаторы имеют значительную массу, масляную или газовую изоляцию, явления насыщения и феррорезонанса, наличие медных аналоговых цепей, необходимость догрузки вторичных обмоток и т.д. Это вызывает дополнительные сложности при проектировании, монтаже, пусконаладочных работах и эксплуатации. Более технологичными по сравнению с традиционнымиТТ и ТН выглядят оптические измерительные трансформаторы (рис. 9.15) [14]. Это трансформаторы, в которых блок аналоговых измерений основан на использовании свойства световых волн в активной среде под действием электромагнитного поля. Одним из основных элементов такого трансформатора является головка с активным волокном. Производство активного волокна – сложный и дорогостоящий технологический процесс.

Рис. 9.15. Структура распределения функциональных блоков

на примере оптического трансформатора

Такой трансформатор имеет существенную зависимость погрешности измерения от температуры активного волокна. Поэтому наряду с оптическим аналоговым трактом от трансформатора к блоку аналого-цифрового преобразования необходимо организовать аналоговый тракт измерения температуры активного волокна. Оптические трансформаторы тока и трансформаторы напряжения дороги по сравнению с традиционными.

Другой тип цифровых трансформаторов – электронные трансформаторы, т.е. трансформаторы, использующие в качестве блока аналоговых измерений электронные сенсоры с малой выходной мощностью: маломощный трансформатор тока, пояс Роговского, прецизионный шунт, емкостной или резистивный делитель напряжения и т.д. (рис. 9.16) [13]. Достоинство трансформатора такого типа заключается в относительной простоте используемых сенсоров и сравнительной дешевизне исполнения.

Конструктивно трансформатор состоит из высоковольтной покрышки из полимерного материала на каждой фазе и блока сопряжения с шиной. В верхней части покрышки на фланце монтируется блок аналоговых измерений и блок аналого-цифрового преобразования. Эти блоки работают под потенциалом токоведущей шины.

Рис. 9.16. Принципиальная схема измерительного трансформатора

Питание электронных устройств высоковольтной колонны осуществляется от трех внутренних источников:

· трансформатора тока, не участвующего в процессе измерений, служащего для отбора мощности от токоведущей шины;

· делителя напряжения;

· специального накопителя, предназначенного для поддержания в рабочем состоянии блока аналого-цифрового преобразования в периоды отключения линии. Емкость накопителя обеспечивает работоспособность АЦП при отключении линии до полугода в течение 10 лет.

Блок аналого-цифрового преобразования требует мощность питания менее 10 мВт, что обеспечивает отсутствие внешнего питания блока аналого-цифрового преобразования. Вследствие этого блоки аналоговых измерений и аналого-цифрового преобразования работают под потенциалом линии и имеют полную электрическую изоляцию относительно земли. Достоинством вышеперечисленных сенсоров является их простота и низкая стоимость. Применяемые схема питания блока аналого-цифрового преобразования, сама конструкция покрышки, а также компоненты измерительного трансформатора позволяют обеспечить работу устройства при различных номинальных напряжениях, сохраняя при этом экономическую привлекательность таких изделий.