Цифровые трансформаторы тока и напряжения (далее — ЦТТ и ЦТН) представляют собой измерительные преобразователи, которые формируют выходной сигнал в цифровом виде непосредственно на первичном уровне. В отличие от классических электромагнитных ТТ и ТН, передающих аналоговый сигнал по вторичным цепям, цифровые устройства выполняют аналого-цифровое преобразование в месте установки и передают данные по оптическим или медным цифровым каналам [1]. Такой подход устраняет ряд ограничений, свойственных традиционной измерительной схеме [2].

Простейшая схема ЦТТ и ЦТН приведена на рисунке 1 [2].

Рис. 1. Схема работы ЦТТ и ЦТН

Классический ТТ работает на принципе электромагнитной индукции. Первичный ток создает в магнитопроводе переменный поток, который наводит во вторичной обмотке ЭДС [3].

Недостатки такой конструкции:

— насыщение магнитопровода при больших токах КЗ;

— погрешность от остаточной намагниченности;

— опасность размыкания вторичной цепи;

— ограниченный частотный диапазон;

— значительные массогабаритные показатели.

Аналогичные ограничения относятся и к электромагнитным ТН [1, 3]:

— феррорезонансные явления;

— насыщение;

— повреждение при КЗ во вторичных цепях;

— необходимость применения предохранителей.

ЦТТ строятся на нескольких физических принципах.

Наибольшее распространение получили устройства на основе:

— катушки Роговского («пояса Роговского») с интегрирующим АЦП;

— оптические ТТ, использующие эффект Фарадея.

Катушка Роговского приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема «пояса Роговского»

«Пояс Роговского» представляет собой тороидальную обмотку без магнитопровода, охватывающую первичный проводник. Напряжение на выводах катушки пропорционально производной первичного тока, поэтому для восстановления формы тока применяется интегрирующий преобразователь. Определяется по выражению (1) [3]:

где М — взаимоиндуктивность между катушкой и воздушным сердечником, Тл.

Отсутствие магнитопровода исключает насыщение и позволяет измерять токи в широком диапазоне с одинаковой точностью.

Оптические ТТ используют изменение плоскости поляризации света под действием магнитного поля первичного тока. Измерительный элемент выполняется из оптоволокна, охватывающего проводник. Электронный блок формирует цифровой отсчет и передает его по протоколу МЭК 61850 [4].

Упрощенная схема оптического ТТ в комбинации с оптическим ТН приведена на рисунке 2.1.

Цифровые ТН выполняются на основе [1, 3]:

— емкостных делителей;

— резистивных делителей;

— оптических датчиков (приведено на рисунке 1).

Емкостной делитель состоит из последовательно соединенных конденсаторов, с которых снимается напряжение, пропорциональное первичному. Далее сигнал оцифровывается и передается потребителям.

Преимущества [1, 3]:

— не содержат магнитопровода;

— не подвержены феррорезонансу;

— имеют линейную характеристику в широком диапазоне напряжений.

Основное отличие цифровых ТТ и ТН от классических заключается в отсутствии вторичных аналоговых цепей. В традиционной схеме вторичные токи 1 А или 5 А и напряжения 100 В разводятся по кабелям к измерительным приборам, устройствам РЗА, счетчикам. Каждая вторичная цепь имеет:

— собственное сопротивление;

— переходные сопротивления контактов;

— подвержена наводкам и повреждениям.

В цифровой схеме вместо этого используется общая информационная шина, по которой передаются цифровые отсчеты (SV-потоки или GOOSE-сообщения). Потребители подписываются на нужные им данные, что исключает дублирование цепей и упрощает расширение системы [4].

Для наблюдаемости ПС переход к цифровым измерительным трансформаторам дает принципиальное изменение качества информации:

— возможность получать отсчеты с частотой, достаточной для анализа переходных процессов и формы кривых тока и напряжения. Классические системы телемеханики обеспечивают обновление значений раз в несколько секунд, при этом ЦТТ и ЦТН передают отсчеты с частотой 80, 256 или 4000 выборок на период, что позволяет использовать информацию для контроля качества электроэнергии, выявления переходных отклонений [4];

— ЦТТ и ЦТН имеют встроенную самодиагностику. ЭБУ контролирует состояние измерительного тракта, источника питания, канала передачи данных и при обнаружении неисправности формирует сигнал. Традиционные ИТ не имеют такого и исправность проверяется только в ходе испытаний [4];

— исключение влияние вторичных цепей на точность измерения. В классической схеме сопротивление вторичной цепи и старение изоляции вносят погрешность, которая может меняться во времени. В цифровой схеме данные передаются без искажений [1].

К недостаткам цифровых ТТ и ТН следует отнести:

— необходимость организации электропитания электронных блоков;

— зависимость от надежности цифровой шины;

— вопросы электромагнитной совместимости.

Для ПС 110/35/10 кВ внедрение ЦТТ и ЦТН улучшает обеспеченность режимного анализа. Частота передачи, отсутствие насыщения и архивы отсчетов в цифровом виде создают основу для построения систем мониторинга, работающих с полной картиной изменения режимных параметров во времени [2].

Литература:

1. ГОСТ Р МЭК 61869–2-2015. Трансформаторы измерительные. Часть 2. Дополнительные требования к трансформаторам тока. Москва: Стандартинформ, 2016. — 58 с.
2. Ковалев Р. А., Котеленко С. В. Цифровая подстанция: учебно-методическое пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2024. — 134 с.
3. Епифанов А. П., Епифанов Г. А. Электрические машины: учебник для вузов. 2-е изд., стер. Санкт-Петербург: Лань, 2021. — 262 с.
4. IEC TR 61850–1:2013. Communication networks and systems for power utility automation. Part 1: Introduction and overview. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2013. — 73 p.