ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА В СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

OPTICAL MEASURING CURRENT TRANSFORMERS IN THE POWER SUPPLY SYSTEM

Daniil Ermakov

undergraduate, Faculty of Electronics, Ryazan State Radio Engineering University named after V. F. Utkin,

Russia, Ryazan

Evgeny Slivkin

scientific supervisor, Candidate of Technical in Sciences, associate professor, Ryazan State Radio Engineering University named after V. F. Utkin,

Russia, Ryazan

АННОТАЦИЯ

Актуальным является вопрос повышения качества электроснабжения. Этого невозможно добиться без увеличения точности измерений первичных токов и напряжений, а также качественного мониторинга технологических процессов. Повышение точности средств измерения первичных токов и напряжений тесно связано с применением оптических средств измерения. В качестве решения проблемы повышения точности измерений рассматривается применение оптоволоконных трансформаторов.

ABSTRACT

Therefore, when there is a question of a possible improvement in the quality and accuracy of measurements obtained by measuring instruments, in order to monitor the obtained technological processes as a whole, there is an understanding of the situation in which the analog equipment being tried on becomes insufficient to implement effective technological processes.

Ключевые слова: оптические устройства, эффект Фарадея, трансформаторы тока, преобразователь.

Keywords: optical devices, Faraday effect, current transformers, converter.

Настоящее время в электроэнергетике применяются трансформаторы тока и трансформаторы напряжения, основанные на электромагнитном принципе. Электромагнитные трансформаторы тока имеют ряд недостатков в виде насыщения магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания и отсутствия передачи информации о первичном токе в первые периоды аварийного переходного процесса, в то время, когда эта информация наиболее необходима для устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики. Точность измерений электромагнитных трансформаторов тока с течением времени ухудшается. Сердечник из листов электротехнической стали, медная первичная и вторичная обмотки могут повреждаться вследствие длительного нагрева. К тому же возможны повреждения от продолжительного перенапряжения аналоговых устройств. Широко распространенный и применяемый ранее термин «аналоговый» за последнее десятилетие стал ассоциироваться с понятием «устаревший».

Повышение точности средств измерения тесно связано с применением оптических средств измерения. В качестве решения проблемы точности измерений рассматривается применение оптоволоконных трансформаторов, принцип действия, которых строится на эффекте Фарадея. Открытие эффекта Фарадея относится к 19 веку, открыт он был в одно время с законом электромагнитной индукции, но широкого применения в момент открытия не получил, так как отсутствовали технологии, которые были бы способны его эффективно использовать.

Продольный магнитооптический эффект Фарадея проявляется в изменении направления плоскости поляризации линейно поляризованного луча. Следовательно, линейно-поляризованный луч можно подвергать операциям изменения направления его плоскости поляризации в физических средах в целях решения различных технических задач.

Схематично преобразователь представлен на Рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство ячейки Фарадея

Преобразователь включает в себя следующие элементы конструкции:

- чувствительные элементы (четыре призмы) [1, с. 104], расположенные последовательно походу распространения света, выполненные из стандартного диамагнитного стекла и образующие замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током,

- поляризаторы [2, с. 36] интегрированные в призмы.

Преобразователь кардинально отличается от принципа работы стандартного трансформатора тока. Отличительной способностью такого преобразователя является большие диапазоны преобразуемых величин.

Над решениями цифровой трансформации работают ведущие мировые компании - ABB, Siemens, General Electric.

Технологию, которая используется в цифровых трансформаторах, создали российские ученые, в ее основе лежат специальное оптоволокно и детектор, позволяющий измерить угол вращения и определить силу тока Рисунок 2.

При прохождении линейно поляризованного луча по оптическому волокну, находящемуся в магнитном поле, происходит изменение направления плоскости поляризации луча. С помощью детектора поляризации измеряется угол вращения плоскости поляризации луча и определяется сила тока.

Рисунок 2. Внешний вид оптического ТТ

Точность - главное достоинство оптического трансформатора. Погрешности оптического трансформатора тока приведены на Рисунке 3 и Рисунке 4

Рисунок 3. Погрешность величины силы тока

Рисунок 4.  Угловая погрешность

Оптические технологии измерения изначально ориентированы на цифровое представление результатов измерений и на цифровую обработку сигналов. Внедрение на энергетических объектах электронных трансформаторов обеспечивает технологию измерений на качественно новом уровне, приблизив такие объекты к полноценному переходу к цифровой подстанции и технологии Smart Grid.

Оптический трансформатор тока имеет больший срок службы. При правильном использовании, хорошей герметизации и аккуратном обращении надежность таких трансформантов на порядок выше. Цифровой трансформатор тока обладает функцией самоконтроля и информирует о появлении неисправностей [3, с. 10].

Конструктивно оптический трансформатор тока состоит из двух частей:

- внешняя часть, расположенная на изоляционной колонне, представляет собой сенсор и соединительный оптический кабель;

- внутренняя часть – блок электроники.

Наличие блока электроники позволяет учитывать все влияющие факторы и автоматически компенсировать ток, чтобы во всем рабочем диапазоне влияющих факторов трансформаторы находились в заданном классе точности. Помимо программных средств недопустимость отклонения погрешностей поддерживается и самой конструкцией. Также к преимуществам оптической трансформации относится низкая инерционность преобразования световых сигналов с отсутствием явления гистерезиса, магнитного насыщения и остаточного намагничивания, характерных для электромагнитных аналогов, большой динамический диапазон (0,1 – 200% Iном), высокая точность (0,1 – 0,2%) для измерений, используемых для устройств РЗА. Одно и тоже изделие в отличие от электромагнитных аналогов может использоваться при десятикратно различающихся первичных номинальных токах за счёт электронной перенастройки коэффициентов трансформации.

Оптоволоконные трансформаторы тока с цифровым интерфейсом включены в Государственный реестр средств измерений как измерительные трансформаторы по ГОСТ МЭК 60044-8/7. Официальное публичное наименование согласно свидетельству: «Трансформаторы тока электронные оптические ТТЭО с цифровым выходом».

Классы точности таких трансформаторов, внесенные в Государственный реестр:

- по переменному току: 0.1, 0.2S, 0.5S, 1.0, 5P, 5TPE;

- по постоянному току: ±0.1, ±0.2, ±0.5, ±1.0.

Основным недостатком оптических трансформаторов тока является относительно высокая стоимость на невысоких классах напряжения (110 кВ и ниже), а также необходимость модернизации или реконструкции первичного оборудования при их установке [4, с. 42].

В связи с повсеместным внедрением технологии «Цифровая подстанция» классические электромагнитные трансформаторы тока постепенно уступают место более современным оптическим, что требует развития цифровых преобразователей. Реакцией на увеличение потребностей отечественных энергетических компаний является появление на рынке электроэнергетики российских цифровых трансформаторов тока.

Список литературы:

1. Вавин В. Н., Трансформаторы тока // Библиотека электромонтера, 1966. № 203. С. 104.
2. Гуревич В.И. Оптоэлектронные трансформаторы тока: панацея или частное решение частных проблем? // Вести в электроэнергетике, 2010. № 2. С. 35-37.
3. Гуревич В.И. Оптические трансформаторы тока: нужно быть реалистами // Электрические сети и системы, 2010. № 4. С. 9-11.
4. Некрашевич Е.А., Старостин Н.Е. Волоконно-оптические датчики тока // Электронные компоненты, 2006. № 11. С. 41-44.