ќптические датчики тока и напр€жени€

–ассмотрен класс магнитооптических и электрооптических датчиков токаи напр€жени€, обеспечивающих естественную гальваническую разв€зкувысоковольтной и измерительной части при снижении массо-габаритныхпоказателей, повышении безопасности их эксплуатации и снижении затратпри монтаже. –ассмотрены перспективы использовани€ этих датчиков в металлургической и химической промышленности, а также в судостроении. Ќеослабевающий интерес к волоконнооптическим датчикам тока, работа которых основана на эффекте ‘араде€,и датчиков напр€жени€, основанных на использовании эффекта ѕоккельса [1], св€занс высокими потенциальными возможност€миэтих устройств.

  ним относ€тс€:Ўирокий динамический диапазон измерений (токов до сотен кј, напр€жени€до сотен к¬). ¬ысока€ линейность. Ўирокий частотный диапазон, позвол€ющий анализировать гармоники напр€жени€ и тока непосредственно в высоковольтной цепи. ќтсутствие вли€ни€ нагрузки вторичныхцепей и потерь в них.

¬ысока€ устойчивость оптоволоконныхинформационных каналов к внешнимэлектромагнитным помехам. ћеньшие массо-габаритные показатели. ѕервичный оптический преобразовательможет быть удален от блока электроникина 450Ц900 м и более. ѕрименение таких трансформаторов особенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сет€х, что объ€сн€етс€ тем, что наиболее сложные вопросыобеспечени€ изол€ции, особенно дл€ высоковольтных приложений, решаютс€ автоматически за счет физической природы преобразовани€, так как элементы оптики оптическоговолокна изначально €вл€ютс€ диэлектриками. —оответственно, легко обеспечиваетс€ гальваническа€ разв€зка измерительной и высоковольтной цепи, повышаетс€ безопасность приэксплуатации данных приборов.

–абота оптического датчика тока основанана эффекте ‘араде€, заключающемс€ в изменении пол€ризации светового потока подвоздействием магнитного пол€.  онкретна€реализаци€ датчиков, использующих этотэффект, может отличатьс€ и патентуетс€фирмами-производител€ми. ”прощенна€ структура электроннооптической схемы датчика тока (рис. 1) содержит источник оптического сигнала. Ётотсигнал с помощью разветвител€ преобразуетс€ в два право-и левопол€ризованных сигнала с противоположными направлени€мивращени€, которые поступают в оптическуюпетлю, выполненную из N витков оптоволокна. ћагнитное поле, создаваемое током I,протекающим по проводу, в соответствиис эффектом ‘араде€ замедл€ет один сигнал и ускор€ет другой. ќба сигнала доход€тдо следующего кругового пол€ризатора, который преобразует их в линейно пол€ризованные световые потоки с плоскост€ми пол€ризации, сдвинутыми на угол:где V Ч посто€нна€ ¬ерде.

ѕосто€нна€ ¬ерде Ч величина, характеризующа€ магнитное вращение плоскостипол€ризации в веществе. ≈е значение зависитот свойств вещества, длины волны и монохроматичности излучени€. ѕришедшие световые потоки преобразуютс€ фотоприемником в два напр€жени€ переменного тока с частотой = 2—/ (— Ч скорость света в оптоволокне, Ч длина волныоптического излучени€). ѕолученные электрические сигналы поступают на ввод аналогоцифрового преобразовател€ электронногоблока, преобразующего угол в цифрус дальнейшей обработкой в DS -процессоре. ÷ифровой блок оснащен высокоуровневымии низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, поддерживающим стандарт IEC 61850, чтооткрыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерени€.

–абота оптического датчика напр€жени€основана на эффекте ѕоккельса, заключающемс€ в возникновении двойного лучепреломлени€ в оптических средах при наложении посто€нного или переменного электрического пол€ (рис. 2), что наблюдаетс€у кристаллических пьезоэлектриков:где E Ч напр€женность электрического пол€; L Ч толщина пластины; Ч длина волны; K Ч электро-оптические коэффициенты. Ёффект находитс€ в пр€мо пропорциональной зависимости от величины приложенного электрического пол€. Ќапр€жениерассчитываетс€ на основании измерени€ датчиками напр€женности электрического пол€в нескольких точках колонны. –азработкой оптических датчиков напр€жени€ и тока занимаетс€ целый р€д компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию Nxt hase TѕроЋайн [2], €вл€ющейс€ эксклюзивным представителем компании Nxt haseTЁлектрическиесети –оссии в но€бре 2006 года.

”же в 2007 г. установлены и введены в эксплуатацию комбинированные оптические системы NXVCT-220 на подстанции 220 к¬ ќјќ –∆ƒ. ¬ апреле2008 г. с применением оптического трансформатора NXCT-F3 в —ургуте создан опытныйполигон дл€ подтверждени€ его эксплутационных и метрологических характеристик. ¬ декабре 2008 г. ќјќ “√ 1 с применением оптического трансформатора NXCT-F3 введена точкакоммерческого учета. ¬ 2006 г. в –оссии создана компани€ ќќќ”никальные волоконные приборы [3], занимающа€с€ разработкой и изготовлением отечественных оптоволоконных трансформаторовтока и напр€жени€, которые, суд€ по публикуемым техническим характеристикам, не уступают лучшим зарубежным образцам.

ƒатчики компании Nxt hase Tвысоковольтные измерительные оптические преобразователи напр€жени€ NXVTдл€ измерени€ напр€жени€ в диапазоне 138Ц500 к¬ с классом точности 0,25;высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока и напр€жени€,совмещенные NXVCT дл€ измерени€ токав диапазоне до 4 кј и напр€жени€ до 500 к¬с классом точности 0,25;измерительные оптические преобразователи, трансформируемые NXCT-F3, предназначенные дл€ измерени€ токов до 100 кјв цеп€х переменного тока и до 600 кј в цеп€х посто€нного тока, что дает возможность их использовани€ в металлургической и химической промышленности.

 омпани€ FieldMetrics, Inc. [5] основанав 2001 г. и специализируетс€ на разработкеи производстве трех линеек оптоволоконныхдатчиков дл€ средневольтовых (11Ц36 к¬)энергетических сетей переменного тока:Met od, Fiber Met od, Met od Lite класса 0,2. ¬ линейку Met od вход€т комбинированные датчики тока и напр€жени€ (рис. 3а),которые могут крепитьс€ непосредственнона опоре. Ёлектронный блок с автономнымблоком питани€ выполнен в единой конструкции с датчиками.

—в€зь с пунктом сбора и обработки информации осуществл€етс€по радиоканалу мощностью до 1 ¬т. Fiber Met od предусматривает интегрированное исполнение датчика тока, датчиканапр€жени€ и электронного преобразовател€ оптических сигналов в цифровой код,размещаемых в легком прочном корпусе. Ќепосредственно на корпусе монтируетс€радиопередатчик, обеспечивающий беспроводную св€зь с диспетчерским пунктом. Met od Lite Ч датчик тока класса 0,3, облегченной конструкции, крепитс€ на изолированной штанге, подключаемой междуактивным проводом и нейтралью (рис.

3б). ƒатчики имеют более низкую стоимостьпо сравнению с Met od. ѕомимо оборудовани€ дл€ контрол€ параметров средневольтовых сетей, фирмаактивно разрабатывает и внедр€ет датчикикласса 0,3 дл€ высоковольтных приложений.

¬ основе этих датчиков лежит модульныйпринцип построени€, состо€щий в использовании опорных модулей на 15 к¬, из которыхможно набирать датчики дл€ сетей до 750 к¬.  омпани€ owerSense A/S [6], основанна€в 2006 году, предложила потребител€м линейку энергоизмерительного оборудовани€Discos, в которую вошли оптоволоконныедатчики тока (рис.

4а), напр€жени€ (рис. 4б)и комбинированные датчики тока/напр€жени€ (рис. 4в), предназначенные дл€ работыв сет€х до 36 к¬. ƒиапазон измерени€ токов Ч от 5 ј до 20 кј с погрешностью 2%,погрешность измерени€ напр€жени€ Ч 1%. —ами датчики креп€тс€ на штанге и оптоволокном соедин€ютс€ с оптическим модулем,размещаемым на опоре.  омпани€ Optisense Network, основанна€в 2001 г.

, специализируетс€ на производствевысокоточных компактных датчиков токаи напр€жени€, используемых в сет€х с напр€жением до 35 к¬.  омпани€ Airak, Inc. [7] выпускает оптоволоконные датчики, отличающиес€ наименьшими массо-габаритными показател€ми. ќптоволоконные датчики напр€жени€ этойфирмы вместе с п€тиметровыми выводамивес€т всего 170 г (рис. 5а). ƒатчик напр€жени€размещен на специальной платформе, расположенной на опоре. —тандартный диапазонизмерени€ напр€жени€ Ч 5 к¬ (со сменой€чейки ѕоккельса диапазон может быть расширен до 13,8 к¬).

ћаксимальна€ приведенна€погрешность составл€ет 5%, типова€ Ч 1%. —уд€ по приведенным данным, недостатками датчика €вл€ютс€ низка€ точность измерени€ и малый диапазон измер€емых напр€жений. —ущественным недостатком дл€ егоприменени€ в российских услови€х €вл€етс€также температурный диапазон Ч 0Е50 ∞—. Ћучшими показател€ми обладают датчикитока этой фирмы. “оковый датчик дл€ воздушных линий (рис.

5б) позвол€ет измер€тьтоки в диапазоне от 3 ј до 1 кј (возможныверсии до 15 кј) с погрешностью, не превышающей 1%. ќн работает в диапазоне температур Ц40Е+85 ∞—. ¬ес этих датчиков не превышает 570 г, что позвол€ет легко смонтировать их пр€мо на проводах, не прибега€к разъединению линии (рис. 6).  омпактность и малый вес последнегодатчика привлекает внимание разработчиков систем контрол€ и управлени€ энергетическими системами на наземном, морскоми воздушном транспорте. ¬ —Ўј в рамкахпрограммы по модернизации морского флота разрабатываютс€ так называемые полностью электрические (all-electric) корабли [8]. ѕервое такое судно должно быть сдано в эксплуатацию в 2011 г. ƒл€ обеспечени€ мониторинга и управлени€ всеми системами корабл€ требуетс€ около 10 000 электрическихдатчиков.

“акую задачу невозможно решитьс использованием традиционных датчиков, включа€ датчики ’олла. ¬ св€зи с этимна фирме Airak, Inc. специально дл€ этих целей были разработаны сверхминиатюрныеоптоволоконные датчики тока и напр€жени€с погрешностью измерени€ 1%. ѕредставл€ет интерес датчик, предназначенный дл€ измерени€ тока и напр€женностимагнитного пол€ при применении в стационарном оборудовании (рис. 7). ƒатчик имеетвес 28 г и устанавливаетс€ на шину 4. “оки измер€ютс€ в диапазоне от 3 ј до 3 кјс погрешностью не более 1%.  омпани€ ABB, Inc. [9] известна, преждевсего, по токовым датчикам, используемымв цеп€х посто€нного тока, основанным на эффекте ’олла [10]. ѕреобразователи такоготипа хот€ и надежны, но очень сложны, а ихвес может достигать 2000 кг.

ѕри их установке также необходимы сложные процедурынастройки дл€ исключени€ вли€ни€ асимметричного пол€ и перекрестных наводокс расположенных р€дом шин. ƒл€ решени€этих и других проблем компани€ ABB разработала новый оптоволоконный датчик тока(Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рис. 8)[11]. ѕо сравнению с датчиками ’олла новыедатчики имеют следующие преимущества:ѕродолжительность установки и ввода в эксплуатацию измер€етс€ часами,а не дн€ми. –езко снижаетс€ сложность системы. ”стройства не подвержены воздействию магнитных полей сложных конфигураций и перекрестным наводкам от соседних шин. ѕовышаетс€ точность (до 10-кратногоуменьшени€ погрешности). Ўирока€ полоса пропускани€ обеспечивает быструю реакцию на пульсации и нестационарные токи. ƒатчики обеспечивают измерение посто€нных токов как в одном, так и в двух направлени€х.

ƒатчик позвол€ет измер€ть токиот 0 до ±500 кј с погрешностью 0,1% в диапазоне частот от 0 до 4 к√ц. ¬ес одной секции Ч 5 кг. ѕрименение таких датчиков в металлургической и химической промышленности может существенно повысить эффективностьпроизводства и дать значительный экономический эффект. ¬ производстве алюмини€,меди, марганца, цинка, стали и хлора требуютс€ огромные объемы электроэнергии. Ёлектролизные ванны дл€ производства алюмини€ обычно питаютс€ посто€нным напр€жением 1000 ¬ и потребл€ют ток до нескольких сот килоампер. Ќеобходимо учесть, чтоошибка на 0,1% в измерении тока 500 кј приводит к ошибке учета мощности на 0,5 ћ¬т.

 омпани€ ABB, Inc. считаетс€ однимиз лидеров в разработке и оптоволоконныхдатчиков дл€ высоковольтных электроэнергетических приложений. ћагнитооптическиедатчики тока (Magneto-Optic Current Transformer,MOCT) этой компании (рис. 7) могутиспользоватьс€ в сет€х с напр€жением от 72,5до 800 к¬ дл€ измерени€ токов до 3,5 кј. ќптоволоконные датчики напр€жени€обычно имеют более сложную конструкцию. ¬ св€зи с этим компани€ ABB дл€ измерени€напр€жени€ предложила проводить измерение тока через нагрузку с известным значением сопротивлени€, подключенную последовательно с датчиком MOCT (рис.

9) [12]. ‘изически указанна€ нагрузка реализованас помощью электрооптического трансформатора напр€жени€ EOVT (рис. 10) [13].  ак следует из предложенного обзора, классоптических датчиков тока и напр€жени€ может зан€ть существенное место в системах мониторинга, контрол€ и управлени€ в энергетике, металлургической, химической, судостроительной и оборонной промышленности. ќкоси “. и др. ¬олоконно-оптические датчики. Ћ. : Ёнергоатомиздат, 1990. ¬ласов ћ. , —ердцев ј. ќптические трансформаторы: первый опыт // Ёнергоэксперт. 2007. є 1. Duncan . , Mastro S. Fiber Optic current undpotential sensors for naval shipboard use //A publication of the National Electronics ManufacturingCenter of Excellence. April 2005. „екмарев ј. ƒатчики тока и напр€жени€ ј¬¬. ќт печатной платы до преобразователей-гигантов // —илова€ электроника.

2006. є 3. Ѕонерт  . , √угенбах ѕ. Ќовый оптоволоконныйдатчик FOCS от ABB дл€ электрохимическихпроизводств // ABB –евю. 2005. є 1. erformance Assessment of Advanced DigitalMeasurement and rotection Systems. SERC ublication 06Ц23. August 2006. Bohnert K. , Gabus . , Brndle H. Fiber-OpticCurrent and Voltage Sensors for High-VoltageSubstations // Invited paper at 16InternationalConference on Optical Fiber Sensors.

October 13Ц17,2003, Nara Japan Technical Digest..