 |
БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
УСТРОЙСТВА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
| 
Владимир Геворкян,
к.т.н., профессор | 
Илья Яшин,
аспирант | | Московский энергетический институт
(Технический университет) |
Принцип построения
В настоящее время подавляющее большинство высоковольтных
автоматизированных систем контроля качества и учета количества
электроэнергии (АСКУЭ) построено с применением высоковольтных
измерительных трансформаторов напряжения (ТН) и тока (ТТ) [1].
У таких устройств имеются существенные недостатки: невысокое
соотношение класса точности и цены устройства, низкая надежность, дорогостоящие процедуры поверки, большие массогабаритные
параметры.
Этих проблем лишены измерительные устройства, осуществляющие измерения на стороне высокого потенциала [2]. Однако
расположение электронных компонентов измерительного устройства
непосредственно на высоком потенциале, помимо решения задач
электромагнитной совместимости, компоновки, теплообмена, синхронизации измерений [3], требует решения задачи обеспечения их
бесперебойного питания.
Блок бесперебойного питания (ББП) должен обеспечивать
стабильным входным напряжением все электронные компоненты
измерительного устройства высокого напряжения (ИУВН) независимо от состояния окружающей среды в диапазоне температур,
удовлетворяющих требованиям УХЛ 2, во всем диапазоне изменения
напряжений и токов контролируемого фазного провода.
Расположение измерительного устройства на высоком потенциале
ограничивает количество возможных способов построения ББП.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ББП
Использование аккумуляторных батарей
и емкостных накопителей энергии
Способ, при котором электронные блоки подключаются непосредственно к аккумуляторной батарее (АКБ), размещенной на
стороне высокого потенциала и выступающей в качестве единственного источника электроэнергии, в принципе снимает с разработчика
задачу проектирования и построения ББП. Все электронные блоки
питаются от АКБ с номинальным напряжением 12 В. В случае необходимости, напряжения 5; 3,3 или 1,5 В получаются с помощью
стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения
(DC-DC конверторов).
Однако ИУВН, обладающее блоком питания такого типа, не будет
удовлетворять условию требуемого поверочного интервала (как минимум 1 год), так как для этого АКБ должна иметь емкость ~ 730 А·ч
на один ватт потребляемой энергии в год. Очевидно, что АКБ такой
емкости будет обладать неудовлетворительными массогабаритными
характеристиками и, учитывая необходимость соответствия требованиям УХЛ 2, неприемлемой стоимостью.
В последнее время распространение получают ионные суперконденсаторы [4]. Емкость таких конденсаторов при сравнительно
небольших массогабаритных параметрах может достигать огромных величин (~100 фарад), что позволяет использовать их вместо АКБ
для поддержания работоспособности электронных блоков ИУВН в
течение непродолжительного периода времени. Результаты математического моделирования показывают, что при питании конденсатором
емкостью С =100 Ф, заряженным до 36 В, DC-DC конвертора с диапазоном входных напряжений 9–36 В работоспособность системы будет
поддерживаться в течение примерно 1,5 часов (при потребляемой
мощности ~ 50 Вт).
Таким образом, использование АКБ и суперконденсаторов в
составе блока ББП ИУВН возможно только в качестве резервного
источника. Структура ББП при этом должна обеспечивать работоспособность АКБ на протяжении всего поверочного интервала (1–3
года). Иными словами, она должна обеспечивать ее заряд и защиту
от перезаряда и глубокого разряда.
Гальванические и кондуктивные способы
Гальванические (проводные) способы передачи электро-энергии
для нужд электронных блоков ИУВН, расположенного на стороне
высокого потенциала, с низковольтной стороны неприемлемы ввиду
опасности электрического пробоя изоляции токопровода, а также
проблем обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала.
Использование высоковольтных ТН со съемом требуемого низкого
напряжения относительно высокого потенциала нерационально по
экономическим соображениям. Заметим, что одной из причин переноса блоков цифровой обработки сигналов измерительного устройства на сторону высокого потенциала является исключение из его
конструкции громоздких и дорогостоящих высоковольтных ТН.
Использование низковольтных ТТ, расположенных под высоким
потенциалом, возможно. Более того, подобный ТТ используется в конструкции высоковольтного измерительного устройства для сопряжения
с цифроаналоговыми преобразователями и позволяет при фазных токах
300–3000 А оперировать токами 0,5–5 А. Для целей создания ББП на
стороне высокого потенциала можно применить либо еще один низковольтный ТТ, либо ТТ с большим количеством вторичных обмоток.
Однако при этом первичный источник электроэнергии относительно
входных цепей ББП будет являться источником тока. Это означает,
что напряжение на зажимах вторичной обмотки ТТ будет зависеть от
входного сопротивления нагруженных на нее цепей ББП. При этом изменение сопротивления нагрузки самого ББП (включение/отключение
электронных блоков) будет приводить к изменению напряжения на его
выходных зажимах. Это потребует дополнительных мер для стабилизации напряжения на нагрузке.
Применение для питания ББП имеющегося в конструкции измерительного устройства высоковольтного емкостного делителя напряжения, который уже используется для сопряжения с аналогоцифровым преобразователем, невозможно ввиду недостаточной
мощности, отбираемой им с фазного провода.
Создание еще одного емкостного делителя непосредственно для
нужд ББП нерационально. Так, для съема необходимой мощности
нижнее плечо высоковольтного емкостного делителя должно иметь
емкость ~15 нФ на каждый ампер тока нагрузки. При нагрузке ББП,
равной 3–5 А, емкость высоковольтного плеча делителя напряжения
составит 45–75 нФ. Данное решение является неприемлемым по
своим массогабаритным и стоимостным характеристикам, так как
требует применения нестандартных высоковольтных конденсаторов в
конструкции делителя. Иными словами, способ питания электронных
блоков комплексного измерительного устройства с помощью емкостного делителя напряжения теоретически возможен, но практически
нецелесообразен.
Оптические способы
Способы передачи электроэнергии, названные нами оптическими, основаны на засветке фотоэлементов (ФЭ). «Поставлять» свет к
фотоэлементам можно как проводным (оптоволоконный кабель), так
и беспроводным (лазерный луч) способами.
Достоинством проводного способа является возможность, в случае
успешной разработки блока питания такого типа, применения оптоволоконного кабеля одновременно и для питания электронных блоков,
и для передачи данных измерений в реальном времени.
Однако основным недостатком обоих вариантов оптического способа передачи энергии является низкая эффективность производимых
сегодня ФЭ (~ 20%). Кроме того, проблемы реализации этих способов
связаны с громоздкой системой самого блока ФЭ. Модуль размером
125.125 мм позволяет получить лишь 2 Вт мощности при напряжении
0,5 В. Для обеспечения электронных блоков энергией мощностью ~
50 Вт при напряжении 12 В потребуется батарея из 25 таких модулей
(~ 60.60 см). Задача расположения и засветки всей площади такой
батареи с применением оптоволоконных кабелей либо лазерных лучей,
потребует решения нетривиальных инженерных задач.
Беспроводный способ с использованием лазерного луча обладает и другим серьезным недостатком – погодозависимостью.
Из-за него становится невозможным гарантировать бесперебойное
питание электронных блоков измерительного устройства в периоды
низкой оптической прозрачности окружающей среды. Использование резервных АКБ также затруднительно, поскольку невозможно
оценить время, в течение которого питание посредством лазерного
луча будет затруднено, а значит, невозможно оценить необходимую
емкость АКБ.
Радиоканальный способ
Способ основан на передаче энергии посредством радиолуча высокой частоты. Выбор высокой (сверхвысокой) частоты для создания
энергетической трассы диктуется зависимостью пространственных
размеров излучающей и приемной антенн (апертуры) при требуемом
узконаправленном радиолуче от частоты гармонического сигнала. На
частотах 11–12 ГГц диаметр зеркала излучающей антенны с диаграммой направленности главного лепестка по уровню 3 дБ примерно 1°
составляет 2–2,5 м, а на частотах 40–42 ГГц при тех же параметрах
– 0,5 м.
Задачи, возникающие при разработке блока питания такого типа:
создание передающей антенны с игольчатой диаграммой направленности, источника электромагнитной энергии высокого уровня
мощности, приемной антенны, преобразователя сигналов приемной
антенны в постоянное напряжение.
К достоинствам способа, как и всех других беспроводных, можно
отнести полную гальваническую развязку земли и фазы; к недостаткам – экологическое электромагнитное загрязнение в боковых
лепестках диаграммы направленности и очень низкий коэффициент
полезного действия (КПД). При коэффициентах усиления передающей и принимающей антенн 45 дБ и 5 дБ соответственно на
расстоянии 5 м, соотношение между излучаемой мощностью (Pпер) и
принимаемой мощностью (Pпр) [5] составит:
Pпр = 0,015 · Рпер при частотах 11–12 ГГц,
Pпр = 0,001 · Рпер при частотах 40–42 ГГц.
Это означает, что для получения на приемном конце мощности
50 Вт, необходимо подвести к передатчику мощность 3500 Вт для
частот 11–12 ГГц и ~50 кВт для частот 40–42 ГГц. Очевидно, что
такой способ неприемлем.
Радиочастотным аналогом оптического способа передачи энергии с
помощью оптоволоконного кабеля является способ передачи электромагнитной энергии посредством диэлектрического волновода. Простейшим способом получения электрической энергии на приемном
конце диэлектрического волновода является установка выпрямительного диодного преобразователя и трансформатора напряжения для
получения необходимого напряжения. Следует заметить, что максимальный возможный КПД данной системы составляет 50%. Однако
критических недостатков, ставящих под сомнение целесообразность
разработки, такая система не имеет.
Сравнение
Проведенные оценки позволяют утверждать, что лишь два из рассмотренных способов построения ББП ИУВН заслуживают внимания.
Это способ отбора энергии непосредственно от контролируемого
фазного провода с помощью ТТ и способ передачи энергии с земли с
помощью диэлектрического волновода.
К достоинствам первого способа получения мощности можно
отнести полностью автономный дизайн ИУВН, использующего блок
питания указанного типа; к недостаткам – необходимость решения
задачи стабилизации напряжения на нагрузке в условиях питания
от источника тока с широким динамическим диапазоном изменения
входного тока [6].
Второй способ, напротив, полностью независим от токов и напряжений контролируемого фазного провода высоковольтной линии
электропередачи, что можно отнести к его достоинствам. Однако
электроснабжение ИУВН в этом случае зависит от электроснабжения
диспетчерского центра, а сам диэлектрический волновод, являющийся
звеном передачи электроэнергии, в отсутствие защитного экрана может быть поврежден. Введение же металлического защитного экрана
вызывает проблемы его электроизоляции и электробезопасности обслуживающего персонала. Это, несомненно, является недостатком.
Исходя из всего вышеперечисленного, оптимальным способом
построения ББП автономного комплексного ИУВН представляется
способ отбора мощности с помощью ТТ непосредственно от контролируемого фазного провода.
ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ББП С ПРИМЕНЕНИЕМ ТТ
Реализация принципа
Способы создания ББП с применением низковольтного ТТ на
стороне высокого потенциала при отборе мощности от тока фазного
провода, изменяющегося в диапазоне от 100 до 3000 А (от режима
холостого хода до номинального режима на примере линии 220 кВ),
принципиально ограничены функциональной схемой, приведенной
на рис. 1.
Первичный преобразователь (ПП) данного блока питания состоит из ТТ и нелинейного ТН. Нелинейный режим ТН необходим, чтобы сузить динамический диапазон выходного напряжения ПП по сравнению с динамическим диапазоном входного тока.
Выпрямитель, состоящий из диодного моста и сглаживающей емкости,
служит для преобразования переменного напряжения с выхода ПП в
постоянное напряжение, пригодное для питания DC-DC конвертора.
В макетном варианте ББП с применением ТТ типа ТШЛП 10-1 на выходе выпрямителя было получено постоянное напряжение в пределах
9,72–27 В (~ 9 dB) при фазном токе в ЛЭП от 300 до 3000 А (20 dB)
(рис. 2).
Полученный диапазон напряжений теоретически позволяет использовать DC-DC конверторы для стабилизации напряжения до
необходимых 12 В. Более того, существующие на рынке конверторы
с диапазоном входных напряжений 9–36 В позволяют работать
фактически с минимальных значений фазных токов. Этот факт даст
возможность использовать АКБ меньшей емкости, что положительно
скажется на массогабаритных параметрах ББП.
Однако включение DC-DC конвертора в макет блока питания обеспечивало его корректную работу лишь в малом диапазоне значений
входного тока. Дальнейшее увеличение амплитуды тока приводило к
аварийному отключению DC-DC конвертора.
Анализ явления выявил его причину: DC-DC конвертор реагирует
на изменение входного напряжения изменением своего входного
сопротивления. Рост фазного тока ведет к повышению напряжения
на входе DC-DC конвертора, на которое он реагирует повышением
своего входного сопротивления. Это в свою очередь ведет к росту
напряжения на его входных зажимах, так как ПП представляет собой
источник тока. В результате входное напряжение DC-DC конвертора
быстро выходит из диапазона допустимых значений, что и обуславливает его аварийное отключение.
Применение режима коммутации вторичной обмотки ТН
Развитие схемы построения блока питания предполагало схему
с коммутацией вторичной обмотки ТН (рис. 3), так как коммутация
первичной обмотки ТН, нагруженной на вторичную обмотку ТТ,
недопустима.
При этом ожидалось, что в результате коммутации вторичных
обмоток ТН удастся обеспечить допустимый режим работы DC-DC
конвертора за счет своевременного понижения выходного напряжения
ПП. В связи с этим отпадала необходимость обеспечения нелинейного
режима работы ТН, что достигалось увеличением числа витков в его
вторичной обмотке.
Согласно теоретическим расчетам, коммутатор увеличивает число
витков во вторичной обмотке, когда на этом (увеличенном) числе
витков достигается напряжение 12,5 В (рис. 4). Задача компенсации
повышения напряжения (максимум до 19 В) возлагается на DC-DC
конвертор.
Испытания макета ББП, построенного по данному принципу,
вновь привели к неудаче: подключение коммутатором большего
числа витков вторичной обмотки приводило к падению напряжения
на входе DC-DC конвертора, что вызывало уменьшение его входного
сопротивления и еще большую просадку напряжения. В итоге напряжение падало до величины, при которой коммутатор уменьшал
количество витков вторичной обмотки с целью поднять напряжение.
То есть блок питания с коммутацией вторичных обмоток ТН является
нестабильной системой.
Режим ББП с гашением мощности
В результате анализа проблемы было установлено, что погасить
излишнюю отбираемую мощность при больших значениях фазных
токов средствами одного DC-DC конвертора невозможно. Необходим
дополнительный блок, в котором будет гаситься излишняя мощность.
Это может быть достигнуто введением шунтирующих ветвей, замыкающих излишний ток на выходе ПП.
Однако параллельное соединение шунтирующих ветвей и ветви
нагрузки уменьшает полное сопротивление нагрузки ПП, что приводит
к снижению выходного напряжения ББП. Для исключения действия
шунтирующих ветвей при малых токах в фазном проводе их необходимо
отключать, подключая лишь при достижении определенного напряжения на выходе ПП (рис. 5).
Математическое моделирование данной ветви в пакете PSpice
показало, что при питании от источника тока данная ветвь позволяет
стабилизировать напряжение на нагрузке с момента открытия транзистора до того момента, как сопротивление коллектор – эмиттер
достигнет своей минимальной величины. Для увеличения диапазона тока, при котором напряжение удерживается в стабильном
состоянии, необходимо увеличивать число ветвей, включенных
параллельно (рис. 6).
Экспериментальные исследования были проведены на макете
блока питания, оснащенного тремя шунтирующими ветвями, выполненными на транзисторах КТ897. Момент открытия транзисторов,
задаваемый соотношением резисторов R1 и R2, был установлен на 15
В. Величина балластных сопротивлений – 1 Ом. Имеющийся ТН вновь
был переведен в нелинейный режим. В результате было установлено,
что максимально возможное напряжение на входе DC-DC конвертора
ограничено величиной ~ 18,5 В (рис. 7), что позволяет обеспечить
безопасное применение DC-DC конвертора в конструкции ББП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Блок питания, построенный по предложенному принципу, является
достаточно универсальным и может применяться для питания различных устройств, расположенных на стороне высокого потенциала.
Недостатком такого технического решения является необходимость
отвода избыточной тепловой энергии, рассеивающейся на балластных
сопротивлениях. Однако, учитывая достаточно специфическую область предполагаемого применения такого блока питания, указанный
недостаток не является определяющим, так как размещение ББП вне
помещений (на фазном проводе – на высоком потенциале) предполагает простой способ отвода избыточного тепла с его корпуса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шесть преимуществ АИИС КУЭ. Мы беседуем с генеральным директором ЗАО «Энком» Сергеем Лозовским // Энергоэксперт. 2008.
№ 4(9).
2. Бунин А.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Комплексное измерительное устройство автоматизированной системы учета количества
и контроля качества электрической энергии в высоковольтных сетях
// ЭЛЕКТРО. 2005. № 1.
3. Геворкян В.М., Яшин И.А. Проблема синхронизации времени в
устройствах системы контроля и измерения электрической энергии //
Вестник МЭИ. 2008. № 5.
4. Деспотули А., Андреева А. Суперконденсаторы для электроники (часть
1) // Современная электроника. 2006. № 5.
5. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных
устройств. М.: Энергия. Т. 1, 1966. Т. 2, 1973.
6. Бунин А.В., Вишняков С.В., Геворкян В.М. и др. Проблема создания
источника питания автономного комплексного измерительного устройства высокого напряжения / Труды XII Международной конференции
«Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». 29.09-04.10. 2008. С. 297–298.
| 
|
