PL B1. TRANSFORMEX SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Warszawa, PL INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY, Warszawa, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01R 15/06 ( ) G01R 15/14 ( ) G01R 15/16 ( ) H01F 38/34 ( ) (54) Wielofunkcyjny przekładnik prądowo-napięciowy wysokiego napięcia (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 09/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/17 (73) Uprawniony z patentu: TRANSFORMEX SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Warszawa, PL INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JAN OLAK, Warszawa, PL ANDRZEJ OLAK, Warszawa, PL GRZEGORZ KOWALSKI, Warszawa, PL EDWARD RAMOTOWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Danuta Jankowska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest wielofunkcyjny przekładnik prądowo-napięciowy wysokiego napięcia przeznaczony do instalacji w energetycznej wnętrzowej rozdzielnicy wysokiego napięcia nowej generacji, pozwalającej na współpracę z modułami pomiarowymi zużycia oraz jakości energii elektrycznej w przesyłowej sieci energetycznej wysokiego napięcia, zwłaszcza pozwalającej na zasilanie liczników energii elektrycznej, zabezpieczeń elektronicznych energetycznej sieci przesyłowej oraz analizatorów jakości energii, w tym zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie sieci przesyłowej. Stosowane w elektroenergetycznej sieci przesyłowej wysokiego napięcia rozwiązania mają charakter cząstkowy i wymagają wielu zabiegów mających na celu zintegrowanie różnych urządzeń pomiarowych spełniających poszczególne funkcje pomiarowe jak na przykład liczniki zużycia energii, samodzielne analizatory jakości energii, które z uwagi na wysokie koszty nie są powszechnie stosowane w wielu krytycznych miejscach sieci przesyłowej. Dotychczas stosowane w elektroenergetycznej sieci przesyłowej wysokiego napięcia urządzenia pomiarowe i zabezpieczające wymagają od przekładników prądowych oraz od przekładników napięciowych znacznych mocy w ich uzwojeniach wtórnych, zapewniających ich zasilanie. Na przykład znany jest z polskiego opisu patentowego PL wnętrzowy przekładnik prądowo-napięciowy przeznaczony do instalacji w energetycznej rozdzielnicy wysokiego napięcia, zawierający wspólną podstawę poziomą mocowaną na ścianie rozdzielnicy, wyposażoną w skrzynkę zaciskową z wyjściowymi zaciskami wtórnymi przekładnika prądowego i przekładnika napięciowego, do której mocowany jest rdzeń przekładnika prądowego z kolumną wsporczą i uzwojeniami wtórnymi oraz umieszczony pod nimi rdzeń przekładnika napięciowego. Również w polskim opisie patentowym PL opisany jest jednomodułowy wnętrzowy przekładnik prądowo-napięciowy wysokiego napięcia instalowany przy pomocy płyty poziomej wyposażonej w skrzynkę zacisków wtórnych, do ściany rozdzielnicy wysokiego napięcia. W opisanym rozwiązaniu uzwojenie pierwotne przekładnika prądowego stanowi szyna wysokiego napięcia zasilana z rozdzielnicy wnętrzowej wysokiego napięcia, a jego rdzenie pierścieniowe z uzwojeniem wtórnym są mocowane w obejmie obwodowej stanowiącej konstrukcję wsporczą, tworzącą wraz z izolacją jednolity moduł wyposażony w okno z ekranem metalowym połączonym elektrycznie z szyną prądu pierwotnego. Przekładnik napięciowy posiada dzielnik pojemnościowy zawierający kondensator główny, którego okładziny stanowią umieszczone w izolacji dwa cylindryczne ekrany metalowe usytuowane współśrodkowo oraz kondensator dodatkowy połączony z ekranem zewnętrznym, który jest załączony na wysokorezystancyjne wejście wzmacniacza napięcia, zakończonego przetwornikiem napięcie stałe/napięcie stałe i/lub napięcie stałe/napięcie zmienne. Zastosowanie opisanego dzielnika pojemnościowego w przekładniku napięciowym dzięki odpowiednio dobranej pojemności kondensatora dodatkowego zapewnia redukcję wysokiego napięcia sieci do wartości od kilku do kilkunastu woltów, niemniej z uwagi na występowanie błędu kątowego zależnego od wartości obciążenia, pomiar napięcia jest obciążony błędem. Znane rozwiązania przekładników prądowonapięciowych nie zapewniają wysokiej dokładności oraz powtarzalności pomiarów prądu i napięcia, pozwalającej na ich wykorzystanie do pomiarów zużycia i jakości energii, ponadto niedogodność stanowi konieczność ich kalibracji oraz zależność wyników pomiaru od temperatury. Nowa generacja zabezpieczeń elektronicznych sieci przesyłowej wysokiego napięcia na przykład przed chwilowymi przepięciami praktycznie nie obciążających uzwojeń wtórnych przekładników, wymusiła stosowanie w elektroenergetyce przekładników/sensorów zamieniających prąd na napięcie oraz wysokie napięcie na niskie napięcie, zapewniających zasilanie zabezpieczeń elektronicznych ale nie zapewniających niestety zasilania liczników zużycia energii elektrycznej wymagających odpowiedniego poziomu mocy w obwodach wtórnych. Człon prądowy w przekładnikach/sensorach stanowi cewka Rogowskiego, a człon napięciowy stanowi wysokorezystancyjny dzielnik napięcia. Zastosowanie cewki Rogowskiego w członie prądowym zapewnia uzyskanie informacji o zawartości harmonicznych w prądzie energetycznej sieci przesyłowej, natomiast pomiar zawartości harmonicznych w napięciu energetycznej sieci przesyłowej przy pomocy wysokorezystancyjnego dzielnika członu napięciowego jest obarczony dużym błędem. Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji wielofunkcyjnego przekładnika prądowonapięciowego wysokiego napięcia, przeznaczonego do instalacji w energetycznej wnętrzowej rozdzielnicy wysokiego napięcia, zapewniającej zarówno pomiar zużycia energii, jak i pomiar jakości energii, zwłaszcza zawartości harmonicznych w prądzie i napięciu sieci energetycznej, w pobliżu źró-

3 PL B1 3 deł zakłóceń, w pobliżu ważnych odbiorników energii, a także w miejscu styku sieci rozdzielczej z siecią przesyłową. Istota wielofunkcyjnego przekładnika prądowo-napięciowego wysokiego napięcia przeznaczonego do instalacji we wnętrzowej energetycznej rozdzielni wysokiego napięcia, zawierającego człon prądowy posiadający rdzenie pierścieniowe z uzwojeniami wtórnymi, uzwojenie pierwotne w postaci szyny wysokiego napięcia stanowiącej element mocująco-wsporczy oraz człon napięciowy posiadający wysokonapięciowy dzielnik pojemnościowy, wysokonapięciowy dzielnik rezystancyjny, wzmacniacz napięcia, posiadający ponadto cewkę Rogowskiego z rdzeniem niemagnetycznym, według wynalazku polega na tym, że we wspólnej izolacji głównej, korzystnie z kauczuku silikonowego, poniżej członu prądowego zawierającego umieszczone w uziemionym ekranie cewkę Rogowskiego z rdzeniem niemagnetycznym oraz magnetyczny rdzeń pierścieniowy z uzwojeniem wtórnym, przez który przełożona jest szyna wysokiego napięcia wiodąca prąd pierwotny, wyposażona w zacisk zewnętrzny członu prądowego, jest umieszczony człon napięciowy zawierający modułowy wysokonapięciowy dzielnik pojemnościowo-rezystancyjny połączony zewnętrznym rozłącznym kablem wysokiego napięcia z zaciskiem pierwotnym członu prądowego, którego górną część stanowi n połączonych szeregowo ze sobą modułów pojemnościowo-rezystancyjnych w postaci równoległego połączenia kondensatora i rezystora, oddzielonych od siebie przekładkami izolacyjnymi, osadzonych luźno za pomocą otworu mocującego na obwodzie metalowej pionowej rury uziemionego ekranu członu napięciowego wzdłuż odcinka górnego, jej długości, a część dolną wysokonapięciowego dzielnika pojemnościowo-rezystancyjnego stanowi k połączonych ze sobą równolegle modułów pojemnościowo-rezystancyjnych w postaci równoległego połączenia kondensatora i rezystora, oddzielonych od siebie przekładkami izolacyjnymi osadzonych luźno na obwodzie odcinka dolnego metalowej pionowej rury uziemionego ekranu, której górny koniec jest połączony z uziemionym ekranem członu prądowego, a dolny koniec jest mocowany trwale w uziemionej, metalowej podstawie poziomej przekładnika, przy czym moduł pojemnościoworezystancyjny stanowi płytka obwodu drukowanego wyposażona w usytuowany centralnie otwór mocujący z metalizowanym wielowarstwowym pierścieniem stanowiącym kondensator połączony równolegle z rezystorem w postaci m rezystorów precyzyjnych za pomocą powierzchniowego spoiwa lutowanego wzdłuż obwodu tego pierścienia wykonanego na płytce obwodu drukowanego, ponadto punkt szeregowego połączenia części górnej i części dolnej modułowego wysokonapięciowego pojemnościowo-rezystancyjnego dzielnika napięcia jest połączony równolegle za pomocą ekranowanego kabla z dopasowującym niskonapięciowym dzielnikiem pojemnościowo-rezystancyjnym stanowiącym równoległe połączenie obwodów pojemnościowo-rezystancyjnych o stałych wartościach pojemności i rezystancji oraz obwodów pojemnościowo-rezystancyjnych o regulowanych wartościach pojemności i rezystancji, załączonym na wejście wzmacniacza separatora wyposażonego w wyjście dodatkowe sygnału napięciowego, a którego wyjście główne jest połączone z wejściem wzmacniacza napięciowego obciążonego rezystancją roboczą. Wielofunkcyjny przekładnik prądowo-napięciowy wysokiego napięcia według wynalazku zainstalowany w energetycznej wnętrzowej rozdzielnicy wysokiego napięcia nowej generacji, pozwala na współpracę z modułami pomiarowymi zużycia oraz jakości energii elektrycznej w przesyłowej sieci energetycznej wysokiego napięcia, zwłaszcza na zasilanie liczników energii elektrycznej, zabezpieczeń elektronicznych energetycznej sieci przesyłowej oraz analizatorów jakości energii. Wynalazek został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny wielofunkcyjnego przekładnika prądowo-napięciowego przeznaczonego do instalacji we wnętrzowej energetycznej rozdzielni wysokiego napięcia, fig. 2 schemat blokowy połączeń elektrycznych w wielofunkcyjnym przekładniku prądowo-napięciowym wysokiego napięcia, a fig. 3 przedstawia realizację modułu rezystancyjno-pojemnościowego dzielnika wysokiego napięcia. Jak pokazano na fig. 1, w górnej części przekładnika prądowo-napięciowego według wynalazku umieszczonego w izolacji głównej IG z żywicy poliuretanowej lub kauczuku silikonowego, przykładowo z kauczuku silikonowego, znajduje się człon prądowy zawierający umieszczone w uziemionym ekranie EZ1 cewkę Rogowskiego CR o czułości 1 mv/a z rdzeniem niemagnetycznym, przykładowo drewnianym, oraz jeden lub kilka rdzeni pierścieniowych RP o dokładności 5 VA kl. 0,5 z nawiniętym uzwojeniem wtórnym. Wewnątrz otworu rdzenia pierścieniowego RP jest osadzone uzwojenie pierwotne w postaci szyny SZ wiodącej prąd pierwotny, służącej dodatkowo do zamocowania przekładnika prądowo-napięciowego w energetycznej rozdzielni wnętrzowej wysokiego napięcia z wyprowadzonym zaciskiem pierwotnym ZP członu prądowego. Według wynalazku pojedynczy moduł pojemnościoworezystancyjny MCR, jak pokazano na fig. 3, stanowi płytka obwodu drukowanego POD realizująca

4 4 PL B1 równoległe połączenie kondensatora C w postaci wykonanego na płytce obwodu drukowanego POD metalizowanego dwuwarstwowego pierścienia z rezystorem R w postaci m rezystorów precyzyjnych za pomocą powierzchniowego spoiwa lutowanego wykonanego na płytce obwodu drukowanego POD wzdłuż obwodu tego pierścienia. W centralnej części płytki obwodu drukowanego POD znajduje się otwór mocujący O, w którym osadzona jest luźno metalowa pionowa rura uziemionego ekranu EZ2 członu napięciowego przekładnika. W izolacji głównej IG przekładnika prądowo-napięciowego bezpośrednio pod członem prądowym znajduje się człon napięciowy, wyposażony w uziemiony ekran EZ2 połączony z uziemionym ekranem EZ1 członu prądowego, w postaci metalowej pionowej rury stanowiącej centralne podparcie członu prądowego, wewnątrz której umieszczone są przewody wyprowadzające cewki Rogowskiego CR oraz wyprowadzenia uzwojenia wtórnego rdzenia pierścieniowego RP. Na obwodzie pionowej metalowej rury uziemionego ekranu EZ2 członu napięciowego jest według wynalazku zamocowany luźno wysokonapięciowy dzielnik napięcia DWN w postaci przełożonych przekładkami izolacyjnymi IP modułów pojemnościowo-rezystancyjnych MCR stanowiących równoległe połączenie kondensatora C i rezystora R. Górna część DWN G modułowego pojemnościowo-rezystancyjnego wysokonapięciowego dzielnika napięcia DWN zawiera n, przykładowo 11 połączonych ze sobą szeregowo modułów pojemnościowo-rezystancyjnych MCR oddzielonych od siebie przekładkami izolacyjnymi IP. Natomiast dolna część DWN D modułowego pojemnościowo-rezystancyjnego wysokonapięciowego dzielnika napięcia DWN zawiera k, przykładowo 3 moduły pojemnościowo-rezystancyjne MCR, połączone ze sobą równolegle, oddzielone przekładkami izolacyjnymi IP zamocowane na dolnym odcinku długości pionowej metalowej rury uziemionego ekranu EZ2. Zacisk górny wysokonapięciowego dzielnika napięcia DWN członu napięciowego jest połączony zewnętrznym odłączanym kablem wysokiego napięcia ZW z zaciskiem pierwotnym ZP członu prądowego, co umożliwia niezależne wykonywanie pomiarów w członie prądowym i/lub w członie napięciowym przekładnika prądowo-napięciowego. Dolny koniec metalowej pionowej rury uziemionego ekranu EZ2 członu napięciowego jest osadzony trwale w uziemionej podstawie P stanowiącej podparcie poziome przekładnika, którego człon prądowy jest mocowany pionowo przy pomocy zawiasów instalacyjnych szyny prądowej SZ. Nad poziomą uziemioną podstawą P są wyprowadzone przewody uzwojeń wtórnych WYW członu prądowego umieszczone wewnątrz metalowej pionowej rury uziemionego ekranu EZ2 członu napięciowego oraz ekranowany odczep WYP modułowego pojemnościowo-rezystancyjnego wysokonapięciowego dzielnika DWN. Punkt szeregowego połączenia części górnej DWN G modułowego pojemnościoworezystancyjnego wysokonapięciowego dzielnika DWN i części dolnej DWN D modułowego pojemnościowo-rezystancyjnego wysokonapięciowego dzielnika DWN jest połączony równolegle za pomocą ekranowanego kabla WYP z dopasowującym niskonapięciowym dzielnikiem pojemnościoworezystancyjnym DNN załączonym na wejście wzmacniacza-separatora WS. Niskonapięciowy dzielnik pojemnościowo-rezystancyjny DNN stanowi według wynalazku jak pokazano na fig. 2 równoległe połączenie obwodów pojemnościowo-rezystancyjnych C D, R D o stałych wartościach pojemności i rezystancji oraz obwodów pojemnościowo-rezystancyjnych C D, R D o regulowanych wartościach pojemności i rezystancji. Wzmacniacz separator WS posiada dodatkowe wyjście WY D wyposażone w rezystor R ograniczający prąd zwarcia, i prąd obciążenia, dostarczające sygnał napięciowy do zasilania zabezpieczeń elektronicznych i analizatorów zawartości harmonicznych w napięciu przesyłów sieci energetycznej. Wyjście główne wzmacniacza-separatora WS jest połączone z wejściem wzmacniacza niskonapięciowego WN, na którego wyjście jest załączona rezystancja robocza R OBC zapewniając dostarczenie napięcia zasilającego dla mierników zużycia energii. Zastrzeżenie patentowe 1. Wielofunkcyjny przekładnik prądowo-napięciowy wysokiego napięcia przeznaczony do instalacji we wnętrzowej energetycznej rozdzielni wysokiego napięcia, zawierający człon prądowy posiadający rdzenie pierścieniowe z uzwojeniami wtórnymi, uzwojenie pierwotne w postaci szyny wysokiego napięcia stanowiącej element mocująco-wsporczy oraz człon napięciowy posiadający wysokonapięciowy dzielnik pojemnościowy, wysokonapięciowy dzielnik rezystancyjny, wzmacniacz napięcia, posiadający ponadto cewkę Rogowskiego z rdzeniem niemagnetycznym, znamienny tym, że we wspólnej izolacji głównej (IG), korzystnie z kauczu-

5 PL B1 5 ku silikonowego, poniżej członu prądowego zawierającego umieszczone w uziemionym ekranie (EZ1) cewkę Rogowskiego (CR) z rdzeniem niemagnetycznym oraz magnetyczny rdzeń pierścieniowy (RP) z uzwojeniem wtórnym, przez który przełożona jest szyna wysokiego napięcia (SZ) wiodąca prąd pierwotny, wyposażona w zacisk zewnętrzny (ZP) członu prądowego, jest umieszczony człon napięciowy zawierający modułowy wysokonapięciowy dzielnik pojemnościowo-rezystancyjny (DWN) połączony zewnętrznym rozłącznym kablem wysokiego napięcia (ZW) z zaciskiem pierwotnym (ZP) członu prądowego, którego górną część (DWN G ) stanowi n połączonych szeregowo ze sobą modułów pojemnościoworezystancyjnych (MCR) w postaci równoległego połączenia kondensatora (C) i rezystora (R), oddzielonych od siebie przekładkami izolacyjnymi (IP), osadzonych luźno za pomocą otworu mocującego (O) na obwodzie metalowej pionowej rury uziemionego ekranu (EZ2) członu napięciowego wzdłuż odcinka górnego jej długości, a część dolną (DWN D ) wysokonapięciowego dzielnika pojemnościowo-rezystancyjnego (DWN) stanowi k połączonych ze sobą równolegle modułów pojemnościowo-rezystancyjnych (MCR) w postaci równoległego połączenia kondensatora (C) i rezystora (R), oddzielonych od siebie przekładkami izolacyjnymi (IP) osadzonych luźno na obwodzie odcinka dolnego metalowej pionowej rury uziemionego ekranu (EZ2), której górny koniec jest połączony z uziemionym ekranem (EZ1) członu prądowego, a dolny koniec jest mocowany trwale w uziemionej, metalowej podstawie poziomej (P) przekładnika, przy czym moduł pojemnościowo-rezystancyjny (MCR) stanowi płytka obwodu drukowanego (POD) wyposażona w usytuowany centralnie otwór mocujący (O), z metalizowanym wielowarstwowym pierścieniem stanowiącym kondensator (C) połączony równolegle z rezystorem (R) w postaci m rezystorów precyzyjnych, za pomocą powierzchniowego spoiwa lutowanego wzdłuż obwodu tego pierścienia wykonanego na płytce obwodu drukowanego (POD), ponadto punkt szeregowego połączenia części górnej (DWN G ) i części dolnej (DWN D ) modułowego wysokonapięciowego pojemnościowo-rezystancyjnego dzielnika napięcia (DWN) jest połączony równolegle za pomocą ekranowanego kabla (WYP) z dopasowującym niskonapięciowym dzielnikiem pojemnościowo-rezystancyjnym (DNN) stanowiącym równoległe połączenie obwodów pojemnościowo-rezystancyjnych (C D ), (R D ) o stałych wartościach pojemności i rezystancji oraz obwodów pojemnościowo-rezystancyjnych (C D ), (R D ) o regulowanych wartościach pojemności i rezystancji, załączonym na wejście wzmacniacza separatora (WS) wyposażonego w wyjście dodatkowe (WY D ) sygnału napięciowego, a którego wyjście główne jest połączone z wejściem wzmacniacza napięciowego (WN) obciążonego rezystancją roboczą (R OBC ).

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)