PL214364B1

PL214364B1 - Galvanically isolated analogue system for current sensing

Info

Publication number: PL214364B1
Application number: PL387186A
Authority: PL
Inventors: Michal Szyper; Andrzej Bień; Andrzej Wetula
Original assignee: Akad Gorniczo Hutnicza
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2013-07-31
Also published as: PL387186A1

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 214364 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 387186 ^{(51) Int.Cl.} (12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 214364 (13) B1 (21) Application number: 387186 ^{(51) Int.Cl.}

G01R 15/14 (2006.01) G01R 15/18 (2006.01) G01R 15/24 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 03.02.2009 G01R 19/00 (2006.01) (54)G01R 15/14 (2006.01) G01R 15/18 (2006.01) G01R 15/24 (2006.01) (22) Filed on: 03/02/2009 G01R 19/00 (2006.01) (54)

Izolowany galwanicznie analogowy układ do pomiaru prądu (73) Uprawniony z patentu:Galvanic insulated analog current measurement system (73) Authorized by the patent:

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZAACADEMY OF MINING AND HUTNICZA

IM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:THEM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL (43) Application was announced:

16.08.2010 BUP 17/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:16.08.2010 BUP 17/10 (45) The following was announced about the grant of the patent:

31.07.2013 WUP 07/13 (72) Twórca(y) wynalazku:31.07.2013 WUP 07/13 (72) Inventor (s):

MICHAŁ SZYPER, Kraków, PL ANDRZEJ BIEŃ, Kraków, PL ANDRZEJ WETULA, Kraków, PL (74) Pełnomocnik:MICHAŁ SZYPER, Krakow, PL ANDRZEJ BIEŃ, Krakow, PL ANDRZEJ WETULA, Krakow, PL (74) Plenipotentiary:

rzecz. pat. Alina Magońskaitem. stalemate. Alina Magońska

PL 214 364 B1PL 214 364 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest izolowany galwanicznie analogowy układ do pomiaru prądu w obwodach wysokiego napięcia, takich jak: podstacje, rozdzielnie, odbiorniki dużych mocy itp.The subject of the invention is a galvanically isolated analog system for measuring current in high voltage circuits, such as: substations, switching stations, high power receivers, etc.

Pomiary wartości prądu w obwodach wysokonapięciowych, z uwagi na zagrożenie porażeniem, lub wyładowaniem elektrycznym, wymagają stosowania specyficznych urządzeń pomiarowych. Najczęściej stosowane transformatory prądowe, w celu zapewnienia wysokiej izolacji w stosunku do ''Ziemi”, wyposażone są w kosztowne układy izolacji wysokonapięciowej. Jako rozwiązanie alternatywne, nie wymagające stosowania wysokonapięciowych transformatorów prądowych, czasami stosuje się, optyczne czujniki prądu wykorzystujące efekt Faradaya, gdzie, wytworzone przez prąd zmienny pole magnetyczne zmienia polaryzację światła w światłowodzie umieszczonym w pobliżu przewodnika przez który płynie prąd. Ten sposób zbierania informacji jest jednak wrażliwy na zakłócenia, skomplikowany i kosztowny.Measurements of the current value in high-voltage circuits, due to the risk of electric shock or electric discharge, require the use of specific measuring devices. The most commonly used current transformers, in order to ensure high insulation in relation to the "Earth", are equipped with expensive high-voltage insulation systems. As an alternative, not requiring the use of high-voltage current transformers, optical current sensors employing the Faraday effect are sometimes used, where a magnetic field generated by an alternating current changes the polarization of light in an optical fiber placed near a conductor carrying the current. However, this method of collecting information is sensitive to interference, complex and costly.

Istnieją też metody pośrednie; z amerykańskiego opisu patentowego nr US7,394,982 znany jest system do pomiaru prądu, który ma transformator prądowy do którego wtórnego uzwojenia dołączono rezystor obciążenia oraz elektromechaniczny przetwornik piezoelektryczny. Przetwornik piezoelektryczny sprzężony jest mechanicznie z filtrem optycznym. Zmienne napięcie z rezystora obciążenia, za pośrednictwem przetwornika piezoceramicznego przestraja filtr optyczny do którego, za pośrednictwem światłowodu, doprowadzony jest szerokopasmowy strumień światła. Zmodulowany w dziedzinie częstotliwości strumień światła za pomocą drugiego światłowodu doprowadzony zostaje do drugiego filtru optycznego, który umiejscowiony jest poza obszarem wysokiego napięcia. Drugi filtr optyczny umożliwia konwersję modulacji częstotliwości na modulację amplitudy. Dalszy proces obejmuje konwersję sygnału optycznego na sygnał elektryczny oraz jego cyfrową obróbkę. Zaletą tego rozwiązania jest to, że znajdujące się w strefie wysokiego napięcia elementy systemu pomiarowego nie wymagają zasilania, a wysoką barierę izolacji galwanicznej, pomiędzy tymi elementami strefy napięć wysokich a systemem pracującym w strefie niskich napięć, zapewniają światłowody.There are also indirect methods; U.S. Patent No. US7,394,982 discloses a current measuring system having a current transformer to which a load resistor and an electromechanical piezoelectric transducer are connected to the secondary winding. The piezoelectric transducer is mechanically coupled to the optical filter. Variable voltage from the load resistor, via a piezoceramic transducer, adjusts the optical filter to which a broadband beam of light is fed through the optical fiber. The light beam modulated in the frequency domain is fed by a second optical fiber to a second optical filter, which is located outside the high voltage area. The second optical filter converts the frequency modulation to amplitude modulation. The further process involves the conversion of the optical signal into an electrical signal and its digital processing. The advantage of this solution is that the elements of the measurement system located in the high-voltage zone do not require power, and the high barrier of galvanic isolation between these elements of the high-voltage zone and the system operating in the low-voltage zone is provided by optical fibers.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4,801,937 ujawniono urządzenie pomiarowe przeznaczone do zdalnego pomiaru parametrów linii przesyłowej. Urządzenie ma moduł pomiarowy, który umożliwia pomiar parametrów elektrycznych, mechanicznych i środowiskowych w bliskim otoczeniu przewodów wysokonapięciowej linii przesyłowej. Moduł pomiarowy ma kształt pierścienia. Zawiera on, obejmujący energetyczny przewód prądowy, pierścieniowy obwód magnetyczny za pośrednictwem którego energia pola magnetycznego, wytworzona przez energetyczny przewód prądowy, zostaje przetworzona na prąd elektryczny służący do zasilania modułu pomiarowego. Moduł pomiarowy wyposażony jest w czujniki parametrów elektrycznych, mechanicznych i środowiskowych, cyfrowe układy przetwarzania sygnałów oraz układy radiowej komunikacji. Moduł pomiarowy przystosowany jest także do komunikacji satelitarnej, co umożliwia transfer sygnałów na znaczne odległości bez konieczności stosowania dodatkowych, pośredniczących stacji naziemnych.The US patent no. 4,801,937 discloses a measuring device for remotely measuring the parameters of a transmission line. The device has a measuring module that enables the measurement of electrical, mechanical and environmental parameters in close proximity to the conductors of a high-voltage transmission line. The measuring module is ring-shaped. It comprises an annular magnetic circuit comprising an energy conductor by means of which the magnetic field energy generated by the current conductor is converted into an electric current for powering the measuring module. The measuring module is equipped with sensors of electrical, mechanical and environmental parameters, digital signal processing systems and radio communication systems. The measurement module is also adapted to satellite communication, which enables the transfer of signals over long distances without the need to use additional intermediary ground stations.

Odmienny system przeznaczony do monitorowania energetycznych linii przesyłowych ujawniono w amerykańskim opisie patentowym nr 5,181,026. Moduł pomiarowy mierzy wszystkie parametry, takie jak prąd, napięcie, przesunięcia fazowe, temperatura przewodu i temperatura otoczenia. Zmierzone parametry przetwarzane są następnie na postać cyfrową, a następnie przetwarzane na sygnały optyczne, które za pośrednictwem światłowodów przesyłane są do naziemnej stacji bazowej. W rozwiązaniu według w/w wynalazku przewidziano dwie opcje zasilania modułu pomiarowego. Zasilanie za pośrednictwem transformatora prądowego, którego toroidalny rdzeń obejmuje przewód energetyczny. Uzwojenie wtórne zawiera 1000 zwojów nawiniętych wokół toroidu. Alternatywnie, energia dla zasilania modułu pomiarowego może być doprowadzona w postaci strumienia świetlnego, wcześniej wytworzonego za pośrednictwem lasera, a następnie za pomocą wiązki światłowodów przesłana do matrycy ogniw fotowoltaicznych, gdzie przetwarzana jest na energię elektryczną. Zasilanie modułu pomiarowego za pośrednictwem energii promienistej umożliwia poprawną pracę modułu niezależnie od przepływu prądu przez przewód energetyczny. Ten sposób zasilania umożliwia diagnozę w stanie awarii.A different system for monitoring power transmission lines is disclosed in US Patent No. 5,181,026. The measurement module measures all parameters such as current, voltage, phase shift, conductor temperature and ambient temperature. The measured parameters are then digitized and then converted into optical signals, which are sent via optical fibers to the earth base station. In the solution according to the above-mentioned invention, there are two options for powering the measuring module. Power supply via a current transformer, the toroidal core of which includes the power cable. The secondary winding contains 1000 coils wound around the toroid. Alternatively, the energy for powering the measuring module can be supplied in the form of a luminous flux, previously produced by the laser, and then transferred to the array of photovoltaic cells by means of a bundle of optical fibers, where it is converted into electrical energy. Powering the measuring module via radiant energy enables the correct operation of the module regardless of the current flow through the power cable. This type of power supply enables fault diagnosis.

Wymienione urządzenia przewidziane są głównie do pomiarów parametrów linii energetycznych. Z uwagi na specyficzne wymagania są to urządzenia kosztowne. Dla zastosowań technicznych i laboratoryjnych istnieje zapotrzebowanie na tanie i ekonomiczne w eksploatacji urządzenia do pomiaru prądu, zwłaszcza do pomiaru wypływu mocy.The aforementioned devices are intended mainly for measuring the parameters of power lines. Due to specific requirements, these devices are expensive. For technical and laboratory applications, there is a need for inexpensive and economical to operate current measuring devices, especially for measuring the power leakage.

PL 214 364 B1PL 214 364 B1

Rozwiązanie według przedmiotu zgłoszenia posiada nieskomplikowaną strukturę i umożliwia pomiar natężenia prądu z dostateczną dokładnością wymaganą w pomiarach technicznych i badaniach laboratoryjnych.The solution according to the subject of the notification has an uncomplicated structure and enables the measurement of the current intensity with sufficient accuracy required in technical measurements and laboratory tests.

Istotą wynalazku jest izolowany galwanicznie analogowy układ do pomiaru prądu w obwodach wysokiego napięcia, wyposażony w czujnik prądu, który ma dwa jednakowe, szeregowo połączone uzwojenia, które z kolei poprzez rezystory, połączone są z anodami elektroluminescencyjnych diod nadawczych. Ponadto, wspólny węzeł łączący uzwojenia czujnika prądu połączony jest z dodatnim wyjściem konwertera energii świetlnej na elektryczną. Natomiast, ujemne wyjście konwertera energii świetlnej na elektryczną, połączone jest z katodami elektroluminescencyjnych diod nadawczych. Sygnały optyczne elektroluminescencyjnych diod nadawczych, za pośrednictwem światłowodów, przesyłane są do różnicowego fotodetektora. Następnie, elektryczny sygnał wyjściowy fotodetektora doprowadzony jest do układu wyjściowego. Konwerter energii świetlnej na elektryczną połączony jest z optoelektronicznym źródłem światła, którym jest dioda LED mocy, za pośrednictwem wiązki światłowodów. Czujnik prądu stanowi toroidalny transformator prądowy, lub czujnik prądu zrealizowany jest w oparciu o bezrdzeniowy czujnik pola magnetycznego.The essence of the invention is a galvanically isolated analog circuit for measuring current in high voltage circuits, equipped with a current sensor, which has two identical, series-connected windings, which, in turn, are connected to the anodes of light emitting diodes through resistors. In addition, a common node connecting the current sensor windings is connected to the positive output of the light to electricity converter. On the other hand, the negative output of the light-to-electricity converter is connected to the cathodes of the light emitting diodes. Optical signals of light emitting diodes, via optical fibers, are sent to the differential photodetector. Then, the electrical output of the photodetector is fed to the output system. The light-to-electric converter is connected to the optoelectronic light source, which is a power LED diode, via a bundle of optical fibers. The current sensor is a toroidal current transformer, or the current sensor is based on a coreless magnetic field sensor.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania ujawniono na rysunku przedstawiającym schemat blokowy izolowanego galwanicznie analogowego układu do pomiaru prądu.The invention is disclosed in an exemplary embodiment in a drawing showing a block diagram of a galvanically isolated analog current measuring system.

Izolowany galwanicznie analogowy układ do pomiaru prądu w obwodach wysokiego napięcia ma bezrdzeniowy czujnik prądu, w postaci cewki Rogowskiego, która otacza prądowy przewód wysokiego napięcia. Czujnik prądu 1 ma dwa jednakowe uzwojenia wtórne 2A, 2B, które zostały szeregowo ze sobą połączone i poprzez rezystory 4A, 4B dołączone do anod elektroluminescencyjnych diod nadawczych 5A, 5B. Pomiędzy wspólny węzeł łączący katody elektroluminescencyjnych diod nadawczych 5A, 5B i wspólny węzeł łączący uzwojenia wtórne 2A, 2B czujnika prądu 1 włączone jest źródło napięcia stałego. Stanowi je konwerter energii świetlnej na elektryczną 3, który zasilany jest energią promienistą z diody LED mocy przesyłaną za pośrednictwem wiązki światłowodów 6C. W stanie braku przepływu prądu przez przewód prądowy czujnika prądu 1, z uwagi na fakt, że wartości napięć wytworzonych na uzwojeniach wtórnych 2A, 2B są równe zero, przez obie diody elektroluminescencyjne 5A, 5B płyną jednakowe wartości prądu, które z kolei wytwarzają strumienie światła o jednakowej intensywności. Strumienie światła z obu diod elektroluminescencyjnych 5A, 5B za pośrednictwem światłowodów 6A, 6B przesyłane są do fotodetektora różnicowego 7, którego wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do różnicy intensywności wprowadzonych strumieni światła. Zatem, w stanie braku przepływu prądu wartość wyjściowego sygnału analogowego na wyjściu fotodetektora różnicowego 7 jest równa zero. Jeżeli przez przewód prądowy popłynie prąd, to wówczas na uzwojeniach 2A, 2B czujnika prądu zostaną wyindukowane sygnały napięciowe o jednakowych amplitudach i zgodnej polaryzacji. Te dodatkowe sygnały napięciowe zmienią wartości prądów płynących przez elektroluminescencyjne diody nadawcze 5A, 5B. Podczas, gdy wartość prądu przez pierwszą diodę elektroluminescencyjną ulegnie zwiększeniu, wartość prądu płynącego przez drugą diodę elektroluminescencyjną zmaleje. Spowoduje to zmianę intensywności strumieni świetlnych obu diod elektroluminescencyjnych, których różnica wartości emitowanych strumieni świetlnych będzie proporcjonalna do chwilowej wartości prądu płynącego przez przewód prądowy. Po przesłaniu za pomocą światłowodów 6A, 6B różnica strumieni świetlnych w układzie fotodetektora różnicowego 7 zostanie przetworzona na proporcjonalny sygnał analogowy, który następnie formuje się za pośrednictwem układu wyjściowego 8.A galvanically isolated analog current measurement system in high voltage circuits has a coreless current sensor, in the form of a Rogowski coil, which surrounds the high voltage current conductor. The current sensor 1 has two identical secondary windings 2A, 2B, which are connected in series with each other and, through resistors 4A, 4B, connected to the anodes of the emitting diodes 5A, 5B. A DC voltage source is connected between the common node connecting the cathodes of the emitting diodes 5A, 5B and the common node connecting the secondary windings 2A, 2B of the current sensor 1. They are a light-to-electric converter 3, which is supplied with radiant energy from the power LED, transmitted via the fiber optic 6C. In the state of no current flow through the current conductor of the current sensor 1, due to the fact that the values of the voltages generated on the secondary windings 2A, 2B are equal to zero, the same current values flow through both light-emitting diodes 5A, 5B, which in turn generate light fluxes of of equal intensity. The light streams from both light-emitting diodes 5A, 5B via the optical fibers 6A, 6B are sent to the differential photodetector 7, the value of the output signal of which is proportional to the difference in the intensity of the introduced light streams. Thus, in a no-current condition, the value of the analog output signal at the output of the differential photodetector 7 is zero. If a current flows through the current cable, voltage signals of the same amplitudes and polarization will be induced on the windings 2A, 2B of the current sensor. These additional voltage signals will change the values of the currents flowing through the light emitting diodes 5A, 5B. While the value of the current through the first light emitting diode will increase, the amount of current through the second light will decrease. This will change the intensity of the luminous fluxes of both light-emitting diodes, the difference of the values of the emitted luminous fluxes will be proportional to the instantaneous value of the current flowing through the current conductor. After transmission over the optical fibers 6A, 6B, the difference of luminous fluxes in the differential photodetector system 7 will be converted into a proportional analog signal, which is then formed through the output system 8.

Cechą wyróżniającą bezkontaktowego miernika prądu dla obwodów wysokiego napięcia jest różnicowa struktura obwodu konwersji prądu na sygnał optyczny. Umożliwia ona linearyzację charakterystyki przejściowej pomimo zastosowania silnie nieliniowych elementów w torze przetwarzania sygnałów. Mostkowa struktura obwodu sensorowego, w połączeniu z różnicowym obwodem odbiorczym, po stronie niskiego napięcia, umożliwia jednoczesne wykorzystanie kilku czynników linearyzujących. Źródło napięcia polaryzującego, zrealizowane w oparciu o konwerter energii świetlnej na elektryczną 3, połączony ze źródłem światła 9, umożliwia wstępną polaryzację elektroluminescencyjnych diod nadawczych 5A, 5B, co minimalizuje niekorzystne zjawiska związane z progowymi charakterystykami diod. Dalszą linearyzację i jednoczesną symetryzację charakterystyki przejściowej uzyskuje się dzięki symetrycznej, różnicowej konfiguracji obwodów: sensorowego, przesyłu sygnałów i odbiorczego. Należy również wspomnieć, że dodatkowy stopień swobody w zakresie korekty liniowości charakterystyki przejściowej umożliwia także optymalny dobór wartości rezystorów 4A, 4B. Ponieważ szeregowe połączenie elementu nieliniowego, jakim jest dioda elektroluminescencyjna 5A, z elementem liniowym, czyli rezystorem 4A, umożliwia kształtowanie wypadkowej charakterystyki napięciowo prądowej szeregowo połączonych elementów, a tym samym, pośrednio, korektę charakterystyki przejściowej napięcie strumień świetlny.The distinguishing feature of the non-contact current meter for high-voltage circuits is the differential structure of the current-to-optical signal conversion circuit. It enables linearization of the transient characteristic despite the use of highly nonlinear elements in the signal processing path. The bridge structure of the sensor circuit, in combination with the differential receiver circuit on the low-voltage side, enables the simultaneous use of several linearizing factors. The source of the polarizing voltage, implemented on the basis of the light-to-electric converter 3, connected to the light source 9, enables the initial polarization of the emitting diodes 5A, 5B, which minimizes the unfavorable phenomena related to the threshold characteristics of the diodes. Further linearization and simultaneous symmetrization of the transient characteristic is achieved thanks to the symmetrical, differential configuration of the sensor, signal transmission and receiving circuits. It should also be mentioned that the additional degree of freedom in the correction of the linearity of the transient characteristic also enables the optimal selection of the values of the resistors 4A, 4B. Since the series connection of a non-linear element, which is a 5A light-emitting diode, with a linear element, i.e. a resistor 4A, it is possible to shape the resultant voltage-current characteristic of the series connected elements, and thus, indirectly, to correct the transient characteristic voltage luminous flux.

Claims

Patent claims

1. Galvanically isolated analog current measurement system in high voltage circuits, including a current sensor and optical fiber connections for signal and energy transfer, characterized in that the current sensor (1) includes two identical, series-connected windings (2A, 2B), which through resistors (4A, 4B) are connected by the anodes of light emitting diodes (5A, 5B), moreover, the common node connecting the windings (2A, 2B) of the current sensor (1) is connected to the positive output of the light to electric converter (3), while the negative output of the light-to-electric converter (3) is connected to the cathodes of light emitting diodes (5A, 5B), from which optical signals through optical fibers (6A, 6B) are sent to the differential photodetector (7), and then the electrical output signal of the photodetector (7) is fed to the output system (8), moreover, the light-to-electric converter (3) is connected to the light source (9), which ym is the power LED, via the fiber optic bundle (6C).

2. Galvanic isolated analog current measuring system according to claim 1. The method of claim 1, characterized in that the current sensor (1) is a toroidal current transformer or a magnetic field sensor.