Оптические датчики тока и напряжения

Рассмотрен класс магнитооптических и электрооптических датчиков токаи напряжения, обеспечивающих естественную гальваническую развязкувысоковольтной и измерительной части при снижении массо-габаритныхпоказателей, повышении безопасности их эксплуатации и снижении затратпри монтаже. Рассмотрены перспективы использования этих датчиков в металлургической и химической промышленности, а также в судостроении. Неослабевающий интерес к волоконнооптическим датчикам тока, работа которых основана на эффекте Фарадея,и датчиков напряжения, основанных на использовании эффекта Поккельса [1], связанс высокими потенциальными возможностямиэтих устройств.

К ним относятся:Широкий динамический диапазон измерений (токов до сотен кА, напряжениядо сотен кВ). Высокая линейность. Широкий частотный диапазон, позволяющий анализировать гармоники напряжения и тока непосредственно в высоковольтной цепи. Отсутствие влияния нагрузки вторичныхцепей и потерь в них.

Высокая устойчивость оптоволоконныхинформационных каналов к внешнимэлектромагнитным помехам. Меньшие массо-габаритные показатели. Первичный оптический преобразовательможет быть удален от блока электроникина 450–900 м и более. Применение таких трансформаторов особенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сетях, что объясняется тем, что наиболее сложные вопросыобеспечения изоляции, особенно для высоковольтных приложений, решаются автоматически за счет физической природы преобразования, так как элементы оптики оптическоговолокна изначально являются диэлектриками. Соответственно, легко обеспечивается гальваническая развязка измерительной и высоковольтной цепи, повышается безопасность приэксплуатации данных приборов.

Работа оптического датчика тока основанана эффекте Фарадея, заключающемся в изменении поляризации светового потока подвоздействием магнитного поля. Конкретнаяреализация датчиков, использующих этотэффект, может отличаться и патентуетсяфирмами-производителями. Упрощенная структура электроннооптической схемы датчика тока (рис. 1) содержит источник оптического сигнала. Этотсигнал с помощью разветвителя преобразуется в два право-и левополяризованных сигнала с противоположными направлениямивращения, которые поступают в оптическуюпетлю, выполненную из N витков оптоволокна. Магнитное поле, создаваемое током I,протекающим по проводу, в соответствиис эффектом Фарадея замедляет один сигнал и ускоряет другой. Оба сигнала доходятдо следующего кругового поляризатора, который преобразует их в линейно поляризованные световые потоки с плоскостями поляризации, сдвинутыми на угол:где V — постоянная Верде.

Постоянная Верде — величина, характеризующая магнитное вращение плоскостиполяризации в веществе. Ее значение зависитот свойств вещества, длины волны и монохроматичности излучения. Пришедшие световые потоки преобразуются фотоприемником в два напряжения переменного тока с частотой = 2С/ (С — скорость света в оптоволокне, — длина волныоптического излучения). Полученные электрические сигналы поступают на ввод аналогоцифрового преобразователя электронногоблока, преобразующего угол в цифрус дальнейшей обработкой в DS -процессоре. Цифровой блок оснащен высокоуровневымии низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, поддерживающим стандарт IEC 61850, чтооткрыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерения.

Работа оптического датчика напряженияоснована на эффекте Поккельса, заключающемся в возникновении двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля (рис. 2), что наблюдаетсяу кристаллических пьезоэлектриков:где E — напряженность электрического поля; L — толщина пластины; — длина волны; K — электро-оптические коэффициенты. Эффект находится в прямо пропорциональной зависимости от величины приложенного электрического поля. Напряжениерассчитывается на основании измерения датчиками напряженности электрического поляв нескольких точках колонны. Разработкой оптических датчиков напряжения и тока занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию Nxt hase TПроЛайн [2], являющейся эксклюзивным представителем компании Nxt haseTЭлектрическиесети России в ноябре 2006 года.

Уже в 2007 г. установлены и введены в эксплуатацию комбинированные оптические системы NXVCT-220 на подстанции 220 кВ ОАО РЖД. В апреле2008 г. с применением оптического трансформатора NXCT-F3 в Сургуте создан опытныйполигон для подтверждения его эксплутационных и метрологических характеристик. В декабре 2008 г. ОАО ТГК1 с применением оптического трансформатора NXCT-F3 введена точкакоммерческого учета. В 2006 г. в России создана компания ОООУникальные волоконные приборы [3], занимающаяся разработкой и изготовлением отечественных оптоволоконных трансформаторовтока и напряжения, которые, судя по публикуемым техническим характеристикам, не уступают лучшим зарубежным образцам.

Датчики компании Nxt hase Tвысоковольтные измерительные оптические преобразователи напряжения NXVTдля измерения напряжения в диапазоне 138–500 кВ с классом точности 0,25;высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока и напряжения,совмещенные NXVCT для измерения токав диапазоне до 4 кА и напряжения до 500 кВс классом точности 0,25;измерительные оптические преобразователи, трансформируемые NXCT-F3, предназначенные для измерения токов до 100 кАв цепях переменного тока и до 600 кА в цепях постоянного тока, что дает возможность их использования в металлургической и химической промышленности.

Компания FieldMetrics, Inc. [5] основанав 2001 г. и специализируется на разработкеи производстве трех линеек оптоволоконныхдатчиков для средневольтовых (11–36 кВ)энергетических сетей переменного тока:Met od, Fiber Met od, Met od Lite класса 0,2. В линейку Met od входят комбинированные датчики тока и напряжения (рис. 3а),которые могут крепиться непосредственнона опоре. Электронный блок с автономнымблоком питания выполнен в единой конструкции с датчиками.

Связь с пунктом сбора и обработки информации осуществляетсяпо радиоканалу мощностью до 1 Вт. Fiber Met od предусматривает интегрированное исполнение датчика тока, датчиканапряжения и электронного преобразователя оптических сигналов в цифровой код,размещаемых в легком прочном корпусе. Непосредственно на корпусе монтируетсярадиопередатчик, обеспечивающий беспроводную связь с диспетчерским пунктом. Met od Lite — датчик тока класса 0,3, облегченной конструкции, крепится на изолированной штанге, подключаемой междуактивным проводом и нейтралью (рис.

3б). Датчики имеют более низкую стоимостьпо сравнению с Met od. Помимо оборудования для контроля параметров средневольтовых сетей, фирмаактивно разрабатывает и внедряет датчикикласса 0,3 для высоковольтных приложений.

В основе этих датчиков лежит модульныйпринцип построения, состоящий в использовании опорных модулей на 15 кВ, из которыхможно набирать датчики для сетей до 750 кВ. Компания owerSense A/S [6], основаннаяв 2006 году, предложила потребителям линейку энергоизмерительного оборудованияDiscos, в которую вошли оптоволоконныедатчики тока (рис.

4а), напряжения (рис. 4б)и комбинированные датчики тока/напряжения (рис. 4в), предназначенные для работыв сетях до 36 кВ. Диапазон измерения токов — от 5 А до 20 кА с погрешностью 2%,погрешность измерения напряжения — 1%. Сами датчики крепятся на штанге и оптоволокном соединяются с оптическим модулем,размещаемым на опоре. Компания Optisense Network, основаннаяв 2001 г.

, специализируется на производствевысокоточных компактных датчиков токаи напряжения, используемых в сетях с напряжением до 35 кВ. Компания Airak, Inc. [7] выпускает оптоволоконные датчики, отличающиеся наименьшими массо-габаритными показателями. Оптоволоконные датчики напряжения этойфирмы вместе с пятиметровыми выводамивесят всего 170 г (рис. 5а). Датчик напряженияразмещен на специальной платформе, расположенной на опоре. Стандартный диапазонизмерения напряжения — 5 кВ (со сменойячейки Поккельса диапазон может быть расширен до 13,8 кВ).

Максимальная приведеннаяпогрешность составляет 5%, типовая — 1%. Судя по приведенным данным, недостатками датчика являются низкая точность измерения и малый диапазон измеряемых напряжений. Существенным недостатком для егоприменения в российских условиях являетсятакже температурный диапазон — 0…50 °С. Лучшими показателями обладают датчикитока этой фирмы. Токовый датчик для воздушных линий (рис.

5б) позволяет измерятьтоки в диапазоне от 3 А до 1 кА (возможныверсии до 15 кА) с погрешностью, не превышающей 1%. Он работает в диапазоне температур –40…+85 °С. Вес этих датчиков не превышает 570 г, что позволяет легко смонтировать их прямо на проводах, не прибегаяк разъединению линии (рис. 6). Компактность и малый вес последнегодатчика привлекает внимание разработчиков систем контроля и управления энергетическими системами на наземном, морскоми воздушном транспорте. В США в рамкахпрограммы по модернизации морского флота разрабатываются так называемые полностью электрические (all-electric) корабли [8]. Первое такое судно должно быть сдано в эксплуатацию в 2011 г. Для обеспечения мониторинга и управления всеми системами корабля требуется около 10 000 электрическихдатчиков.

Такую задачу невозможно решитьс использованием традиционных датчиков, включая датчики Холла. В связи с этимна фирме Airak, Inc. специально для этих целей были разработаны сверхминиатюрныеоптоволоконные датчики тока и напряженияс погрешностью измерения 1%. Представляет интерес датчик, предназначенный для измерения тока и напряженностимагнитного поля при применении в стационарном оборудовании (рис. 7). Датчик имеетвес 28 г и устанавливается на шину 4. Токи измеряются в диапазоне от 3 А до 3 кАс погрешностью не более 1%. Компания ABB, Inc. [9] известна, преждевсего, по токовым датчикам, используемымв цепях постоянного тока, основанным на эффекте Холла [10]. Преобразователи такоготипа хотя и надежны, но очень сложны, а ихвес может достигать 2000 кг.

При их установке также необходимы сложные процедурынастройки для исключения влияния асимметричного поля и перекрестных наводокс расположенных рядом шин. Для решенияэтих и других проблем компания ABB разработала новый оптоволоконный датчик тока(Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рис. 8)[11]. По сравнению с датчиками Холла новыедатчики имеют следующие преимущества:Продолжительность установки и ввода в эксплуатацию измеряется часами,а не днями. Резко снижается сложность системы. Устройства не подвержены воздействию магнитных полей сложных конфигураций и перекрестным наводкам от соседних шин. Повышается точность (до 10-кратногоуменьшения погрешности). Широкая полоса пропускания обеспечивает быструю реакцию на пульсации и нестационарные токи. Датчики обеспечивают измерение постоянных токов как в одном, так и в двух направлениях.

Датчик позволяет измерять токиот 0 до ±500 кА с погрешностью 0,1% в диапазоне частот от 0 до 4 кГц. Вес одной секции — 5 кг. Применение таких датчиков в металлургической и химической промышленности может существенно повысить эффективностьпроизводства и дать значительный экономический эффект. В производстве алюминия,меди, марганца, цинка, стали и хлора требуются огромные объемы электроэнергии. Электролизные ванны для производства алюминия обычно питаются постоянным напряжением 1000 В и потребляют ток до нескольких сот килоампер. Необходимо учесть, чтоошибка на 0,1% в измерении тока 500 кА приводит к ошибке учета мощности на 0,5 МВт.

Компания ABB, Inc. считается однимиз лидеров в разработке и оптоволоконныхдатчиков для высоковольтных электроэнергетических приложений. Магнитооптическиедатчики тока (Magneto-Optic Current Transformer,MOCT) этой компании (рис. 7) могутиспользоваться в сетях с напряжением от 72,5до 800 кВ для измерения токов до 3,5 кА. Оптоволоконные датчики напряженияобычно имеют более сложную конструкцию. В связи с этим компания ABB для измерениянапряжения предложила проводить измерение тока через нагрузку с известным значением сопротивления, подключенную последовательно с датчиком MOCT (рис.

9) [12]. Физически указанная нагрузка реализованас помощью электрооптического трансформатора напряжения EOVT (рис. 10) [13]. Как следует из предложенного обзора, классоптических датчиков тока и напряжения может занять существенное место в системах мониторинга, контроля и управления в энергетике, металлургической, химической, судостроительной и оборонной промышленности. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Л. : Энергоатомиздат, 1990. Власов М. , Сердцев А. Оптические трансформаторы: первый опыт // Энергоэксперт. 2007. № 1. Duncan . , Mastro S. Fiber Optic current undpotential sensors for naval shipboard use //A publication of the National Electronics ManufacturingCenter of Excellence. April 2005. Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ. От печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника.

2006. № 3. Бонерт К. , Гугенбах П. Новый оптоволоконныйдатчик FOCS от ABB для электрохимическихпроизводств // ABB Ревю. 2005. № 1. erformance Assessment of Advanced DigitalMeasurement and rotection Systems. SERC ublication 06–23. August 2006. Bohnert K. , Gabus . , Brndle H. Fiber-OpticCurrent and Voltage Sensors for High-VoltageSubstations // Invited paper at 16InternationalConference on Optical Fiber Sensors.

October 13–17,2003, Nara Japan Technical Digest..