Цифровая подстанция. Волоконно-оптические трансформаторы тока.

Автор А. И. Нянин (эл.монтер ОРЗА)

ПО ЦЭС ООО «Башкирэнерго»
Введение

Развитие электроэнергетики идет по пути объединения электрических и информационных технологий и сетей. Современные подстанции используют все больше сложных устройств, которые обмениваются между собой при помощи протоколов передачи данных. Для использования цифровых протоколов передачи данных требуются новые конструктивные решения: волоконно-оптические трансформаторы тока и напряжения.

В процессе эксплуатации традиционных трансформаторов тока и напряжения было выявлено много недостатков. К недостаткам трансформаторов(далее ТТ) тока можно отнести:

1. 
   Наличие большого количества масла или элегаза;
   
2. 
   Опасность размыкания вторичных цепей;
   
3. 
   Большой вес и габариты;
   
4. 
   Насыщение трансформаторов тока при КЗ;
   
5. 
   Пониженная сейсмостойкость;
   

Типичными недостаткам трансформаторов напряжения(далее ТН) являются:

1. 
   Невысокие переходные характеристики емкостных ТН в связи с наличием феррорезонансного стабилизатора;
   
2. 
   Феррорезонанс;
   
3. 
   Узкая полоса пропускания;
   
4. 
   Высокая неравномерность в полосе пропускания;
   
5. 
   Сильные влияния вторичных цепей на точностные характеристики измерительных приборов.
   

Данные факторы приводят к снижению эксплуатационных и измерительных характеристик. Новым технологическим решением является внедрение электронно-оптических трансформаторов тока и напряжения.

Общая информация, плюсы, минусы

Оптические трансформаторы тока(далее ОТТ) свободны от многих недостатков, свойственных традиционным электромагнитным трансформаторам тока. Прежде всего это касается электро- и пожаро-безопасности, экологичности, удобства монтажа и простоте обслуживания, отсутствия эффектов насыщения и гистерезиса при коротких замыканиях на линиях электропередачи и в электрооборудовании. Кроме того, волоконно-оптические преобразователи тока(далее ВОПТ) позволяют измерять параметры электрического тока без дополнительного потребления энергии из линии, в то время как измерение тока с помощью традиционных трансформаторов приводит к потерям электрической энергии (которые можно разделить на магнитные(вихревые токи и гистерезис) и электрические, к которым можно отнести потери в обмотках при нагревании их протекающим током). Ключевой особенностью ВОПТ является представление исходной информации об измеренном токе в цифровом виде. Этот факт позволяет без дополнительных преобразований собирать, обрабатывать, хранить и передавать информацию на любые расстояния в реальном времени. Не менее важной особенностью волоконно-оптического преобразователя электрического тока является крайне высокая степень помехозащищенности его чувствительного элемента. Замкнутый (пространственно) волоконный контур, который и является чувствительным элементом ВОПТ, чувствует только электрический ток в шине, которая охвачена этим контуром. Магнитное поле электрического тока в соседних  шинах, расположенных вне контура, никак не влияет на точность измерений. Кроме того, точность измерений тока никак не зависит от пространственного расположения токовой шины внутри волоконного контура и формы самого контура. ВОПТ одинаково применим как для измерения переменного тока, так и для измерения постоянного тока. Отмеченные особенности крайне важны на объектах, работа которых требует контроля и управления технологическими процессами с протеканием значительных квазипостоянных электрических токов (величиной до нескольких сотен килоампер).

---

Такая ситуация имеет место, в частности, на предприятиях цветной металлургии.

Таким образом к плюсам ВОПТ можно отнести:

1. 
   Отсутствие феррорезонанса;
   
2. 
   Нет опасности размыкания вторичных цепей тока;
   
3. 
   Малые габариты и вес;
   
4. 
   Пожаробезопасность (отстутвие масла или элегаза);
   
5. 
   Подстраиваемый коэффициент.
   

Но как и любое устройство ВОПТ не лишены недостатков. К ним можно отнести:

1. 
   Опто-электронные трансформаторы содержат весьма сложные микропроцессорные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно, которые обладают весьма ограниченной помехоустойчивостью;
   
2. 
   Не доказана долговечность, долговременная стабильность и повторяемость результатов достаточную для нужд измерения тока и работы релейной защиты;
   
3. 
   Оптическое волокно и сложные микропроцессорные системы менее устойчивы к вибрациям и перепадам температур;
   
4. 
   Необходимость постоянной самодиагностики электронной системы оптоэлектронного ТТ;
   
5. 
   Требует высококвалифицированного эксплуатационного обслуживания сложного электронного устройства, соответственно более высококвалифицированного персонала, обслуживающего данное устройство.
   

Принцип работы



Рис. 1. Волоконно-оптический датчик тока.

Работа оптического трансформатора тока основана на бесконтактном методе измерения тока и основывается на эффекте Фарадея: магнитооптическом эффекте, который заключается в том, что при распространении линейно-поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Кратко суть метода можно описать так: в отрезок специального магниточувствительного оптоволокна (так называемый hi-bi spun световод) через волоконный аналог четвертьволновой пластинки вводятся две световые волны с ортогональной поляризацией, вследствие чего они приобретают круговую поляризацию противоположного вращения, которую этот тип световода способен сохранять(Рис. 1). Вводимые световые волны модулированы по фазе с довольно высокой частотой (40–60 кГц). Если в проводнике, вокруг которого намотан контур из этого световода, тока нет, то эти световые волны распространяются с одинаковой скоростью и на вход схемы измерений приходят с нулевым сдвигом фаз. Если в проводнике появляется ток, а вокруг этого проводника — магнитное поле, то скорость распространения для этих световых волн будет различаться из-за эффекта Фарадея. В результате этого в приемнике у пришедших от чувствительного волокна световых волн

---

возникает относительный фазовый сдвиг, пропорциональный величине магнитного поля вокруг проводника и, соответственно, величине тока в проводнике. Таким образом, задача измерения тока сводится к прецизионному измерению фазового сдвига между световыми волнами.

Для измерений величин этих фазовых сдвигов в своих оптических трансформаторах тока используется метод отражательного волоконного интерферометра, поскольку это наиболее отработанная и стабильная схема измерений, дающая автоматическую компенсацию большинства внешних воздействий на измерительный тракт. Как было сказано ранее, световые волны модулированы модулятором двулучепреломления, поэтому выходной сигнал интерферометра представляет из себя сумму гармоник частот модуляции, а амплитуды этих гармоник пропорциональны величине протекающего тока. При этом обеспечивается независимость вычисления фазового сдвига от вариаций параметров оптической схемы (мощность света на фотоприемнике, амплитуда модуляции и т. п.). Всё это позволяет обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне изменения значений первичного тока в проводнике.

Для обеспечения точности измерений в соответствии с требованиями класса точности измерений 0,2s (расширенный диапазон в области малых погрешностей) в приборах должен быть применен метод цифровой компенсации температурной погрешности при малых значениях токов. С этой целью программой для расчета тока учитывается температурная зависимость чувствительности. Сигнальный процессор ежесекундно в on-line режиме считывает сигнал, пропорциональный температуре, измеренной оптоволоконным термометром, который расположен рядом с основным чувствительным волокном. На основе считанных сигналов процессор вычисляет значение силы тока в шине с учетом влияния температуры на чувствительный элемент. Надежность вышеописанной компенсации обусловлена тем, что температурная зависимость чувствительности носит фундаментальный физический характер и не может изменяться с течением времени.

Типичная схема ОТТ/ОПТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков оптического волокна (далее ОВ), помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала – токовую головку для ОТТ или измерительную петлю для ОПТ, и электронно-оптический блок (далее ЭОБ), соединяемый с чувствительным элементом непосредственно (для ОПТ) или через оптический кросс (для ОТТ) (рис. 2).

---

ЭОБ генерирует с помощью встроенного лазера и модулятора на своем оптическом выходе монохроматический циркулярно поляризованный световой сигнал, направляемый по поддерживающему поляризацию ОВ на вход чувствительного элемента. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала подвергается под воздействием магнитного поля Н1 тока I1 соответствующему повороту на угол Фарадея, и с выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал.


Рис. 2. Упрощенная структурная схема оптического ТТ или ПТ
Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода определенной разрядности на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Таким образом, измерительная информация может быть получена на выходе ЭОБ для дальнейшего использования. В том случае, когда чувствительный элемент по технологическим требованиям, например, на высоковольтных подстанциях, должен быть дистанционно (до 1 км) удален от ЭОБ, для подключения чувствительного элемента дополнительно используется магистральное ОВ, сохраняющее поляризацию, и кроссовый блок (кабельный бокс), подключающий его к ОВ чувствительного элемента.

В отличие от ОТТ, применяемых на высоковольтных подстанциях для измерений переменного тока промышленной частоты, ОПТ используют, как правило, при измерении больших переменных или постоянных токов в различных технологических процессах на энергоемких производствах, например, в электрометаллургической или электрохимической промышленности.

Заключение

Важно, что оптические технологии изначально ориентированы на цифровое представление результатов измерений и на цифровую обработку (сохраняющееся еще представление результатов в виде аналоговых или дискретных сигналов - только дань традиции). Это означает, что цифровая обработка становится еще ближе к точке измерения электроэнергии и окончательные результаты измерения можно будет получить непосредственно в ОТТ/ОПТ, не прибегая к использованию различных дополнительных измерительных приборов, например, счетчиков электроэнергии. Цифровые ОТТ/ОПТ совместно с цифровыми оптическими трансформаторами напряжения - это будущее в учете электроэнергии при высоких напряжениях и больших токах.Приведенные выше недостатки являются весьма ярким примером того, что сложные микропроцессорные оптоэлектронные системы вовсе не являются верхом совершенства. Поэтому и оптоэлектронные ТТ ,скорее всего, вовсе не являются универсальными устройствами, призванными заменить все типы существующих ТТ, а будут иметь, скорее ограниченное применений в некоторых специальных случаях.

---

Список литературы

1. В.Н. Гречухин, «Электронные трансформаторы тока и напряжения. Состояние, перспективы развития и внедрения на ОРУ 110-750 кВ станций и подстанций энергосистем», «Вестник ИГЭУ» Вып. 4 2006 г.

2. А.Л. Гуртовцев, «Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройство, характеристики», журнал «Новости электротехники», № 5, 2009 г.

3. В.И. Гуревич, «Оптоэлектронные трансформаторы тока: панацея или частное решение частных проблем?» Вести в электроэнергетике № 2, 2010 г.

---

Смотрите также файлы

• Выплаты и компенсации безработным. Маслова Елизавета.pptx

• Занятие 1 Цель занятия приобрести навыки работы с периферийными устройствами.docx

• Изучение интеллектуального реле zelіо logіс 2 и методики программирования с использованием системы "zelіо soft для пк".docx

• Содержание Введение Развитие денежной системы и ее роль в экономике Развитие денежнокредитной системы на примере сша особенности денежнокредитной системы в странах Западной Европы Заключение Литература Введение.rtf

• Контрольные вопросы Философия Нового времени период развития философии в западной Европе в xviixviii веках, характеризующийся становлением капитализма, бурным развитием науки и техники, формированием экспериментальноматематического мировоззрения..docx