88
СЕТИ
РОССИИ
Электронные
трансформаторы
тока и напряжения —
измерительные приборы
для цифровых подстанций
Евгений РОЖНОВ,
главный конструктор ЗАО «НПФ Прорыв»
о
б
о
р
у
д
о
в
а
н
и
е
оборудование
Н
астоящая
статья
является
продолжением
и
дополне
-
нием
к
статье
«
Электрон
-
ные
трансформаторы
тока
и
напряжения
для
полного
монито
-
ринга
электросетей
» [1].
Современные
информационные
технологии
и
достижения
электрони
-
ки
позволяют
объединить
в
одно
це
-
лое
следующие
основные
структуры
энергосистем
:
–
автоматизированные
системы
управления
технологическими
процессами
(
АСУ
ТП
);
–
релейную
защиту
и
автоматику
(
РЗА
);
–
противоаварийную
автоматику
(
ПА
);
–
автоматизированную
информа
-
ционно
-
измерительную
систему
коммерческого
учета
и
техни
-
ческого
учета
электроэнергии
(
АИИС
КУЭ
);
–
элементы
полного
мониторинга
режимов
работы
всех
звеньев
энергосистемы
;
–
другие
элементы
по
мере
их
необ
-
ходимости
.
Подключение
и
отключение
боль
-
шого
количества
потребителей
и
пе
-
реключение
режимов
их
работы
пред
-
ставляют
собой
практически
некор
-
релированный
процесс
,
который
,
без
принятия
специальных
мер
,
может
привести
к
серьезному
нарушению
режимов
работы
энергосистем
,
к
ре
-
жимам
самовозбуждения
,
аварийным
ситуациям
и
коротким
замыканиям
.
Для
устранения
таких
негативных
явлений
в
энергосистему
встраивает
-
ся
многоканальная
следящая
систе
-
ма
автоматического
регулирования
(
САР
),
обеспечивающая
оптималь
-
ный
и
стабильный
режим
работы
энергосистемы
в
целом
и
всех
без
исключения
ее
компонентов
во
всех
условиях
эксплуатации
.
Энергосистему
с
подобной
САР
,
реализованную
в
аналоговом
,
циф
-
ровом
или
комбинированном
виде
можно
рассматривать
как
отдельный
автономный
элемент
в
иерархии
еди
-
ной
энергосистемы
,
реализующей
концепцию
Smart Grid.
Согласно
теории
управления
про
-
цессами
в
пространстве
состояний
,
любая
сложная
САР
будет
полно
-
стью
наблюдаема
и
управляема
,
если
в
ней
каждый
информацион
-
ный
датчик
(
наблюдатель
)
имеет
свой
собственный
компенсирующий
воздействие
дестабилизирующих
факторов
автоматический
регулятор
(
исполнитель
).
89
Задача
обеспечения
полной
и
эффективной
наблюдаемости
процессов
в
энергосистеме
бо
-
лее
многогранна
и
более
сложна
,
чем
задача
обеспечения
полной
управляемости
,
поэтому
статья
в
основном
посвящена
вопро
-
сам
обеспечения
наблюдаемости
применительно
к
подстанциям
со
встроенной
многоканальной
ана
-
логовой
и
цифровой
следящей
САР
.
Разработка
следящих
САР
должна
производиться
из
условия
экономической
целесообразности
выполнения
основных
ее
функ
-
ций
,
поэтому
она
должна
быть
реализована
на
измерительных
приборах
,
обладающих
отличны
-
ми
метрологическими
(
МХ
)
и
экс
-
плуатационными
характеристика
-
ми
(
ЭХ
).
Ключевыми
и
перспективными
элементами
,
обеспечивающими
функцию
полной
наблюдаемо
-
сти
процессов
в
энергосистемах
,
являются
новейшие
разработки
прецизионных
малогабаритных
и
недорогих
трансформаторов
тока
(
ЭТТ
)
и
напряжения
(
ЭТН
).
ЭТТ
и
ЭТН
полностью
обеспечи
-
вают
контроль
за
всеми
процес
-
сами
в
аппаратуре
энергосистем
,
осуществляя
защиту
от
перена
-
пряжений
,
от
перегрузки
по
току
,
обеспечивая
релейную
защиту
и
автоматику
,
эффективную
рабо
-
ту
авторегуляторов
,
автовыключа
-
телей
,
реклоузеров
и
других
при
-
боров
,
требующих
непрерывного
контроля
их
функционирования
,
при
этом
уровень
производимых
ими
измерений
вполне
достато
-
чен
для
реализации
эффектив
-
ных
АИИС
КУЭ
.
Принцип
действия
ЭТТ
осно
-
ван
на
измерении
части
тока
,
от
-
ветвляемого
от
токопровода
сети
в
первичную
обмотку
входяще
-
го
в
его
состав
измерительного
трансформатора
тока
(
ИТТ
),
с
по
-
следующим
преобразованием
по
-
лученной
информации
в
удобный
для
измерения
аналоговый
или
цифровой
вид
.
Значительное
снижение
веса
,
габаритов
и
стоимости
ЭТТ
до
-
стигается
за
счет
снижения
(
в
сот
-
ни
раз
)
тока
первичной
обмотки
малогабаритного
ИТТ
,
для
этого
она
включена
не
последовательно
в
цепь
токопровода
,
а
параллель
-
но
участку
цепи
токопровода
вдоль
оси
протекания
измеряемого
тока
.
Вторичная
обмотка
ИТТ
под
-
ключена
к
входам
электронного
модуля
блока
обработки
сигна
-
лов
(
БОС
),
охваченного
жесткой
отрицательной
обратной
связью
(
ООС
).
Встроенные
в
(
БОС
)
регули
-
ровки
позволяют
электронным
способом
формировать
требуе
-
мые
характеристики
и
параметры
ЭТТ
,
что
значительно
расширяет
область
их
применения
.
Данное
техническое
решение
реализа
-
ции
ЭТТ
запатентовано
[2, 3, 4, 5],
а
прошедший
Госиспытания
ряд
ЭТТ
на
токи
50, 100, 250
и
1000
А
включен
в
Госреестр
средств
из
-
мерений
.
Для
расширения
области
при
-
менения
ЭТТ
разработаны
два
варианта
его
конструктивного
ис
-
полнения
.
В
первом
варианте
,
для
изоля
-
ции
высоковольтных
цепей
(
витая
пара
и
внешний
источник
пита
-
ния
)
от
высоковольтных
(
шина
то
-
копровода
нагрузки
),
ИТТ
и
БОС
располагаются
в
диэлектрическом
корпусе
,
а
первичная
обмотка
вы
-
полнена
из
отрезка
высоковольт
-
ного
провода
.
Во
втором
варианте
вся
гальва
-
ническая
развязка
обеспечивает
-
ся
волоконно
-
оптической
связью
(
ВОЛС
),
поэтому
ИТТ
и
БОС
раз
-
мещены
внутри
отрезка
токопро
-
вода
измеряемого
тока
,
выпол
-
Рис
. 1.
Четыре
вида
приборов
измерения
тока
ненного
в
виде
цилиндрического
или
прямоугольного
разборного
корпуса
из
того
же
материала
,
что
и
основной
токопровод
,
в
разрыв
которого
он
включается
.
В
итоге
металлический
корпус
ЭТТ
стал
эффективным
экраном
от
воздей
-
ствия
многих
видов
электромаг
-
нитных
полей
(
ЭМП
),
позволил
уменьшить
габариты
ЭТТ
и
повы
-
сил
технологичность
их
изготов
-
ления
.
Для
наглядности
и
сравнения
на
фото
1
показаны
четыре
вида
приборов
измерения
тока
.
В
ле
-
вом
верхнем
углу
снимка
показан
измерительный
трансформатор
типа
ТТИ
-
А
на
номинальные
токи
100/5
А
.
В
правом
верхнем
углу
пока
-
зан
выполненный
на
основе
ЭТТ
и
размещенный
в
пластмассовом
корпусе
измеритель
параметров
переменного
тока
в
диапазоне
(5–650)
А
.
В
центре
и
внизу
снимка
пока
-
заны
два
ЭТТ
,
размещенные
в
ме
-
таллических
корпусах
и
рассчи
-
танные
на
токи
1000/5
А
и
500/5
А
соответственно
.
Оба
ЭТТ
крепят
-
ся
к
шине
токопровода
без
ее
раз
-
рыва
и
демонтажа
.
Основой
ЭТН
является
ЭТТ
,
в
котором
первичной
обмоткой
ИТТ
является
токопровод
,
соеди
-
няющий
вывод
высоковольтного
прецизионного
резистора
с
цепью
земли
или
нейтрали
,
а
второй
вывод
этого
резистора
соединен
№
6 (39) 2016
90
СЕТИ РОССИИ
с
источником
фазового
измеряе
-
мого
напряжения
.
При
таком
включении
первич
-
ной
обмотки
ИТТ
никаких
проблем
с
изоляцией
ИТТ
и
ЭТН
в
целом
,
от
высоковольтных
цепей
не
воз
-
никает
,
а
так
как
номинальный
ток
,
протекающий
через
первичную
обмотку
не
превышает
1
мА
,
то
вес
и
габариты
применяемых
ИТТ
резко
уменьшаются
.
Напряжение
на
выходе
ЭТН
строго
пропорционально
измеряе
-
мому
напряжению
,
а
его
характе
-
ристики
и
параметры
полностью
определяются
характеристиками
и
параметрами
ЭТТ
и
прецизион
-
ного
резистора
.
После
аналого
-
цифрового
пре
-
образования
(
АЦП
)
данные
с
пер
-
вичных
датчиков
(
ПД
),
выполнен
-
ных
на
основе
ЭТТ
,
передаются
на
вычислительный
центр
(
ВЦ
)
цифровой
подстанции
(
ЦПС
)
по
любым
физическим
линиям
связи
(
ФЛС
),
однако
благодаря
высокой
помехоустойчивости
и
надеж
-
ности
работы
в
высоковольтных
энергосистемах
отдается
пред
-
почтение
волоконно
-
оптическим
линиям
связи
(
ВОЛС
),
по
которым
текущая
информация
поступает
на
оптоэлектронный
блок
пре
-
образования
(
ОБП
),
в
котором
данные
всех
ПД
объединяются
в
единый
цифровой
поток
данных
,
поступающих
для
обработки
в
ВЦ
ЦПС
для
формирования
опти
-
мальных
команд
управления
АСУ
ТП
,
РЗА
,
ПА
,
АИИС
КУЭ
и
других
составных
частей
энергосистем
.
Для
ускорения
и
удешевления
разработок
и
модернизации
но
-
вых
перспективных
,
полностью
оцифрованных
энергосистем
,
необходимо
иметь
возможность
оперативного
перепрограмми
-
рования
ВЦ
ЦПС
и
разработать
принципиально
новые
ПД
,
обла
-
дающие
отличными
МХ
,
ТХ
и
ЭХ
,
гибким
управлением
их
функци
-
ональных
возможностей
,
единой
синхронизацией
каждого
ПД
по
ФЛС
от
ЦПС
.
Поиск
новых
перспективных
алгоритмов
работы
таких
ЭТТ
,
удовлетворяющий
вышеуказан
-
ным
требованиям
,
привел
к
соз
-
данию
новой
функционально
гибкой
и
легко
перестраиваемой
структуре
ЭТТ
,
выходное
напря
-
жение
которого
оптимизировано
,
как
для
оцифровки
(
программным
способом
,
без
применения
АЦП
),
так
и
для
проведения
аналоговых
измерений
.
В
новом
ЭТТ
(
ЭТТн
)
осталась
неизменной
только
входная
часть
,
состоящая
из
малогабаритного
ИТТ
и
участка
,
связанного
с
ним
токопровода
,
а
электронный
БОС
стал
высокочастотным
синхро
-
низируемым
прибором
,
форми
-
рующим
выходные
импульсы
на
-
пряжения
,
фронты
которых
несут
полную
информацию
об
измеряе
-
мом
токе
и
его
параметрах
.
ЭТТн
работает
следующим
об
-
разом
.
В
исходном
состоянии
он
находится
в
«
режиме
ожидания
»,
в
котором
измерение
не
произво
-
дится
.
Передним
фронтом
син
-
хроимпульса
,
поступающего
по
ФЛС
из
ЦПС
,
запускается
режим
измерения
,
который
сохраняется
до
тех
пор
,
пока
на
выходе
ЭТТн
не
сформируется
импульс
на
-
пряжения
,
длительность
которого
строго
пропорциональна
уровню
измеряемого
тока
в
момент
вы
-
борки
.
Сразу
по
окончании
форми
-
рования
выходного
импульса
«
ре
-
жим
измерения
»
останавливается
и
прибор
возвращается
в
«
режим
ожидания
»,
чтобы
затем
,
при
по
-
ступлении
нового
импульса
,
про
-
цесс
повторился
.
Такое
техническое
решение
позволяет
осуществлять
одновре
-
менную
синхронизацию
с
ВЦ
ДПС
всех
,
связанных
с
ним
ЭТТн
энер
-
госистемы
.
При
этом
в
ВЦ
хранят
-
ся
присвоенные
каждому
ЭТТн
наименования
(
номера
)
и
соот
-
ветствующие
протоколы
обработ
-
ки
поступающей
информации
,
что
дает
возможность
синхронизиро
-
вать
все
ЭТТн
энергоструктуры
и
сравнивать
результаты
измере
-
ний
одновременно
без
использо
-
вания
прецизионных
часов
едино
-
го
времени
в
качестве
одного
из
элементов
синхронизации
.
Передние
фронты
синхроим
-
пульсов
и
выходных
импульсов
ЭТТн
совпадают
,
поэтому
в
ОБП
передается
только
информация
о
фронтах
окончания
импульсов
на
выходе
ЭТТн
,
что
позволяет
значительно
сократить
энергопо
-
требление
прибора
,
передавая
информацию
минимально
корот
-
кими
импульсами
постоянной
дли
-
тельности
.
Значительно
упростить
и
сни
-
зить
объем
работ
на
разработку
и
изготовление
синхронизируе
-
мых
прецизионных
ЭТТ
и
ЭТТн
позволит
применение
специали
-
зированных
микросхем
Timer Blox
компании
Linear Tehnology.
Реали
-
зация
БОС
на
таких
микросхемах
расширяет
функциональные
воз
-
можности
ЭТТ
и
ЭТТн
и
делает
его
более
экономичным
по
пита
-
нию
,
а
это
позволяет
встраивать
в
них
микромощные
автономные
блоки
питания
,
использующие
альтернативную
энергию
электро
-
магнитных
полей
токопровода
из
-
меряемого
тока
.
На
основе
накопленного
опыта
мы
разрабатываем
новую
структу
-
ру
синхронизируемых
БОС
,
кото
-
рую
можно
реализовать
на
одной
специализированной
микросхеме
.
Преимущества
такого
подхода
очевидны
.
Предложенные
технические
решения
позволяют
проектиро
-
вать
многофункциональные
пре
-
цизионные
ЭТТ
(
класса
0,2),
име
-
ющие
минимальную
массу
и
га
-
бариты
,
невысокую
стоимость
,
высокую
технологичность
и
уни
-
кальное
удобство
в
эксплуата
-
ции
,
так
как
не
требует
демонтажа
токопровода
измеряемого
тока
для
поверки
,
проведения
регла
-
ментных
работ
,
а
также
для
их
замены
в
случае
модификации
.
При
необходимости
такие
ЭТТ
могут
превращаться
в
необслужи
-
ваемые
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Рожнов
Е
.
И
.
Электронные
трансформаторы
тока
и
на
-
пряжения
для
полного
мо
-
ниторинга
электросетей
/
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
.
Пере
-
дача
и
распределение
, 2014,
№
3(24).
С
. 100–103.
2.
Рожнов
Е
.
И
.
Патент
РФ
№
2555524.
Электронный
трансформатор
тока
.
3.
Рожнов
Е
.
И
.
Патент
РФ
№
2224266.
Измеритель
ме
-
трологических
характеристик
трансформаторов
тока
.
4.
Рожнов
Е
.
И
.
Патенты
РФ
№
2176088, 22224262
и
2300774.
Измерительные
преобразователи
тока
.
5.
Рожнов
Е
.
И
.
Патент
№
2167427.
Электронный
счетчик
энергии
.
Оригинал статьи: Электронные трансформаторы тока и напряжения — измерительные приборы для цифровых подстанций
Настоящая статья является продолжением и дополнением к статье «Электронные трансформаторы тока и напряжения для полного мониторинга электросетей».
