Вся правда об оптических трансформаторах: часть 1

За последнее десятилетие термин «аналоговый» успел стать синонимом к слову «устаревший». С одной стороны, это звучит обидно и даже несправедливо по отношению к надёжной, испытанной годами эксплуатации технике. Однако если речь заходит о повышении точности средств измерения и интеграции их в единую сеть мониторинга и контроля технологических процессов, то имеющегося у аналоговой аппаратуры потенциала становится явно недостаточно. Одно из решений — оптоволоконные трансформаторы, работа которых основана на эффекте Фарадея, эффекте, открытом в одно время с законом электромагнитной индукции, но ожидавшим, когда появятся технологии, способные его эффективно использовать.

«Профотек»

Специалисты «Профотека» разработали и вывели на рынок приборы, альтернативные электромагнитным измерительным трансформаторам, — волоконно-оптические электронные трансформаторы тока и электронные трансформаторы напряжения на основе емкостного или безындуктивного резистивного высоковольтного делителя напряжения.

Использование оптических методов измерения тока позволяет получать измеренные значения сразу в цифровом виде, а примененная схема измерения напряжений дает возможность значительно повысить точность измерений и снизить погрешности. Внедрение на энергетических объектах этих электронных трансформаторов обеспечит технологию измерений на качественно новом уровне, приблизив такие объекты к полноценному переходу к цифровой подстанции и технологии Smart Grid.

* * *

Вопрос: Требуется ли для оптических трансформаторов тока (напряжения) температурная компенсация в целях обеспечения точности измерений? В каком диапазоне температур она не требуется?

Сначала нужно уточнить терминологию, разграничив понятия основной и дополнительной погрешности.

Действительно, в классических конструкциях трансформаторов, действительно, есть основная погрешность трансформатора и целый ряд дополнительных погрешностей, возникающих из-за наличия гармоник, загрузки вторичных цепей, их взаимного влияния, а также температуры. Электронные трансформаторы тока и напряжения производства АО «Профотек» являются трансформаторами с компенсированной погрешностью. Для потребителя это означает, что трансформаторы обладают только основной погрешностью, а все влияющие факторы учитываются в работе электроники и автоматически компенсируются так, чтобы во всем рабочем диапазоне влияющих факторов трансформаторы находились в заданном классе точности. Поддержание заданных характеристик обеспечивается не только программными средствами, но и самой конструкцией. Основные особенности структуры измерительной части будут изложены ниже.

В конструкции электронных трансформаторов тока и напряжения, производимых компанией «Профотек», можно выделить две основные части:

• внешнюю, где чувствительный оптический элемент жестко закреплен на опорной изоляционной колонне с соединительным оптическим кабелем;
• внутреннюю, состоящую из блока электроники.

Также «Профотек» производит внешнюю часть с гибким чувствительным элементом, который размещен в продолжении соединительного оптического кабеля и без опорной колонны.

Внешняя часть электронных трансформаторов устанавливается, как правило, на открытой части распределительных устройств, на вводах генераторов, а также может быть интегрирована практически в любую сетевую инфраструктуру без её изменения за очень короткое время. В процессе работы внешняя часть может подвергаться воздействию температур в интервале от -60 до +60ºС, в то время как рабочий диапазон температур окружающей среды для блока электроники — -10…+40ºС, причем блок располагается в помещении с однотипным по режимам работы оборудованием (устройства РЗА и ПА, АСУ и т. п.). Конструкция электронных блоков трансформаторов тока и напряжения не требует дополнительной температурной компенсации.

Внешняя часть электронного трансформатора напряжения температурной компенсации не требует, так как емкостный делитель напряжения выполняется в виде единого высоковольтного конденсатора, который в процессе производства изготавливается из одного и того же материала, и основной задачей «Профотека» как разработчика и производителя является обеспечение поддержания точности соотношения емкостей делителя напряжения. Технология изготовления делителей обеспечивает надежную работу в заданном температурном диапазоне и стабильность характеристик, а также при необходимости позволяет обеспечить требуемую компенсацию температурного коэффициента емкости (ТКЕ), что легко обеспечивается в требуемом температурном диапазоне. При использовании резистивных делителей применяются специальные высокостабильные резисторы с очень малым коэффициентом температурной зависимости и высокой повторяемостью.

Работа оптического трансформатора тока основана на бесконтактном методе измерения тока.

Метод использует магнитооптический эффект Фарадея и достаточно подробно описан в различных источниках. 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. 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.

Метод отражательного волоконного интерферометра — наиболее отработанная и стабильная схема измерений.

Для измерений величин этих фазовых сдвигов «Профотек» в своих оптических трансформаторах тока использует 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.

Производимое АО «Профотек» специальное термостабильное оптическое волокно, используемое в измерительных элементах оптических трансформаторов, обеспечивает высокую стабильность свойств в диапазоне изменения температур до 100ºС (интегральный разброс показаний в этом диапазоне температур составляет около 1%), а это при реальном диапазоне температур от -60 до +60ºС обеспечивает погрешность измерений согласно требованиям к измерительным приборам класса точности 1.

Для обеспечения точности измерений в соответствии с требованиями класса точности измерений 0,2s (расширенный диапазон в области малых погрешностей) в приборах АО «Профотек» 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.

Все выпускаемые «Профотеком» измерительные трансформаторы тока проходят тестовую проверку в термокамерах.

Измерения проводятся как отдельно для чувствительных элементов (в диапазоне от -60 или -40 до +60°С), так и для всего электронно-оптического блока (в диапазоне от -10 или +5 до +40°С). Помимо обычных промышленных термокамер для тестирования чувствительных элементов и электронно-оптических блоков, «Профотек» располагает специальной климатической камерой, в которой имеется возможность проводить испытания высоковольтной измерительной колонны с опорным изолятором для классов напряжения до 220 кВ с установленным на ней чувствительным элементом в полном диапазоне температур.

Вся правда об оптических трансформаторах: часть 2

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

RU 2321000 C2

МПК

G01R15/24 (2006.01)

Статус: по данным на 27.03.2012 — может прекратить свое действие

Пошлина: учтена за 6 год с 08.09.2010 по 07.09.2011

Заявка: 2005127887/28, 07.09.2005

Дата начала отсчета срока действия патента:

07.09.2005

Дата публикации заявки: 20.03.2007

Список документов, цитированных в отчете о

поиске: DE 19547021, 19.06.1997. SU 1515213 A1, 15.10.1989. RU 2222021 С1, 20.01.2004. RU 2086988 C1, 10.08.1997. CN 1175693, 11.03.1998.

Адрес для переписки:

194356, Санкт-Петербург, ул. Композиторов, 5, кв.616, М.К. Ярмаркину

Автор(ы):

Вицинский Сергей Александрович (RU),

Ловчий Игорь Леонидович (RU),

Мокеев Сергей Федорович (RU),

Соловьев Эдуард Павлович (RU),

Ярмаркин Михаил Кириллович (RU)

Патентообладатель(и):

Вицинский Сергей Александрович (RU),

Ловчий Игорь Леонидович (RU),

Мокеев Сергей Федорович (RU),

Соловьев Эдуард Павлович (RU),

Ярмаркин Михаил Кириллович (RU)

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Реферат:

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматике. Технический результат заключается в повышении надежности и стабильности измерений в условиях длительной эксплуатации при всех видах воздействующего электрического напряжения, воздействующих механических нагрузок и различных воздействиях факторов внешней среды. Волоконно-оптический трансформатор тока включает токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины. При этом элементы волоконно-оптического трансформатора тока размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.

До последнего времени замеры электрических величин в распределительных устройствах промышленных предприятий, включая электрические станции, выполняются с помощью электромагнитных трансформаторов тока, стоимость которых составляет значительную долю стоимости всего распределительного устройства. Назначение трансформаторов тока — преобразование тока в высоковольтной сети в сигнал низкого напряжения с тем, чтобы использовать его для целей измерения, релейной защиты и учета электроэнергии.

Электромагнитные трансформаторы тока представляют собой, как правило, первичный токоведущий контур (первичную обмотку) из одного-двух витков и связанный с ним через магнитопровод вторичный токоведущий контур (вторичную обмотку), состоящий из большого числа витков. Первичная обмотка находится под рабочим напряжением высоковольтной сети, в то время как потенциал вторичной обмотки и проходящего внутри нее магнитопровода незначительно отличается от потенциала земли. Изолирующий промежуток между первичной и вторичной обмотками обеспечивает отсутствие электрического пробоя при всех видах эксплуатационных воздействий. При этом с ростом класса напряжения не пропорционально увеличиваются затраты на изоляцию.

Известны конструкции трансформаторов тока, в которых применяются бумажно-масляная, литая из эпоксидного компаунда и элегазовая изоляции (см. [1]). Недостатком этих конструкций является высокая вероятность электрического пробоя изоляционных промежутков в процессе эксплуатации, что подтверждается многолетним опытом использования таких трансформаторов тока в различных электроэнергетических устройствах.

Из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода такие трансформаторы тока принципиально не могут обеспечить удовлетворительные метрологические характеристики в переходных режимах, а также после протекания токов короткого замыкания, когда происходит глубокое насыщение магнитопровода трансформатора тока апериодической составляющей тока короткого замыкания (остаточная насыщенность после протекания токов короткого замыкания может сохраняться несколько месяцев). Кроме того, при импульсных процессах возникает разность потенциалов между точками заземления контура высокого напряжения и измерительной цепи, которая влияет на измеряемый сигнал.

Таким образом, возможности традиционных методов измерения с использованием электромагнитных трансформаторов тока уже практически полностью исчерпаны. Принципиально другой перспективный подход, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, реализуется в оптико-электронных трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство (см. [2]), включающее первичный токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки, изготовленной из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины.

Существенным недостатком данного устройства является его невысокая надежность и стабильность в реальных условиях эксплуатации, в частности при всех видах воздействующего напряжения, воздействующих механических нагрузок, при загрязнении и увлажнении. В существующей конструкции отсутствует опорно-изоляционная конструкция, позволяющая описанному устройству функционировать в качестве самостоятельного аппарата при воздействии высокого напряжения в условиях загрязнения и увлажнения. Отсутствие трекингостойкой оболочки создает возможность протекания тока утечки по поверхности устройства. Использованные способы формирования измерительного сигнала (см., например, [3]), средства ввода в магнитооптический чувствительный элемент поляризованного светового сигнала и деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала (см., например, [4]) не обеспечивают необходимой точности и стабильности измерений в реальных условиях эксплуатации.

Техническая задача предлагаемого изобретения «Волоконно-оптический трансформатор тока» заключается в повышении его надежности и стабильности измерений в условиях длительной эксплуатации при всех видах воздействующего электрического напряжения, воздействующих механических нагрузок и различных воздействиях факторов внешней среды.

Для решения поставленной задачи предложено следующее.

Волоконно-оптический трансформатор тока, включающий токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины, отличающийся тем, что элементы волоконно-оптического трансформатора тока размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что средство деления выполняет функцию деления светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, различающиеся угловой ориентацией, узел преобразования выполняет функцию преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы, а блок формирования выполняет функцию формирования из полученных сигналов измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур состоит из двух и более витков.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур включает в себя элементы высоковольтной арматуры, снабженной контактными площадками для присоединения подводящих проводов, а катушка из оптического волокна размещена непосредственно на высоковольтной арматуре.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур выполнен разъемным.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур выполнен неразъемным.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что он снабжен защитной оболочкой из кремнийорганической резины или другого диэлектрика.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что защитной оболочке придана ребристая форма.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что он снабжен несколькими катушками из оптического волокна с различными параметрами, например числом витков или чувствительностью магнитооптического материала, причем часть катушек предназначена для измерения тока, а другая часть — для работы релейной защиты или для выполнения других функций.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что катушка из оптического волокна и оптически связанные с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на высоковольтной арматуре.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что концы магнитооптического чувствительного элемента проведены через внутреннюю полость опорного изолятора, а оптически связанные с ним средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на фланце нулевого потенциала.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что для присоединения к внешней измерительной цепи использованы соединители оптического волокна.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что для присоединения к внешней измерительной цепи и герметизации внутренней полости опорного изолятора использованы оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы).

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна с малым внутренним линейным двойным лучепреломлением.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором на конце магнитооптического чувствительного элемента установлен отражатель.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором форма катушки из оптического волокна выбрана из условия компенсации линейных двойных лучепреломлений, вызванных изгибом волокна при намотке.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что информация об измеряемом токе преобразуется и передается в форме цифрового сигнала посредством блока формирования измерительного сигнала.

Для достижения поставленной технической задачи:

— в волоконно-оптическом трансформаторе тока, включающем токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины, новым является то, что его элементы размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала.

Обеспечив в предложенном устройстве выполнение средством деления функции деления на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, выполнение узлом преобразования функции преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы, а блоком формирования выполнение функции формирования из полученных сигналов измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины, мы реализуем большую точность и стабильность измерения в условиях реальной эксплуатации, в частности при воздействии температуры и вибраций.

Используя в предложенном устройстве токоведущий контур из двух и более витков, мы повысим точность измерения в диапазоне малых токов.

Используя в предложенном устройстве токоведущий контур в качестве элемента высоковольтной арматуры опорного изолятора, снабженной контактными площадками для присоединения подводящих проводов, и разместив катушку из оптического волокна непосредственно на высоковольтной арматуре, мы упростим устройство, обеспечив возможность создания трансформаторов тока на все классы напряжения.

Выполнив в предложенном устройстве токоведущий контур разъемным, мы обеспечим возможность оперативного измерения тока.

Выполнив в предложенном устройстве токоведущий контур неразъемным, мы повысим надежность трансформатора, исключив из токовой цепи дополнительные контактные соединения.

Снабдив предложенное устройство защитной оболочкой из кремнийорганической резины или другого диэлектрика, мы обеспечим его надежную защиту от внешних воздействий.

Придав защитной оболочке ребристую форму, мы снизим до необходимого уровня ток утечки по поверхности оболочки при ее загрязнении и увлажнении.

Снабдив предложенное устройство несколькими катушками из оптического волокна с различными параметрами, например числом витков или чувствительностью магнитооптического материала, часть которых предназначена для измерения тока, а другая часть — для работы релейной защиты, или для выполнения других функций, мы повысим точность измерения, увеличив диапазон измеряемого тока, и расширим функциональные возможности трансформатора.

Расположив на высоковольтной арматуре не только катушку из оптического волокна и оптически связанное с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, но также и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие, мы ликвидируем дополнительную погрешность измерения угла поляризации, связанную с двойным лучепреломлением светового луча при изгибе оптического волокна на участке между чувствительным элементом и фланцем нулевого потенциала.

Если мы концы катушки из оптического волокна проведем через внутреннюю полость опорного изолятора, а оптически связанные с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположим на фланце нулевого потенциала, то обеспечим защиту элементов трансформатора тока от внешних метеорологических воздействий, в том числе от увлажнения и загрязнения.

Используя для присоединения к внешней измерительной цепи соединители оптического волокна, мы обеспечим удобство эксплуатации и ремонта трансформатора тока.

Используя для присоединения к внешней измерительной цепи и герметизации внутренней полости опорного изолятора оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы), мы обеспечим дополнительную защиту элементов трансформатора тока от внешних метеорологических воздействий.

Выбрав в устройстве в качестве чувствительного элемента одномодовое оптическое волокно, мы обеспечим простоту исполнения трансформатора.

Если в устройстве в качестве чувствительного элемента мы выберем одномодовое оптическое волокно с малым внутренним двойным лучепреломлением, то повысим точность измерения.

При выборе в устройстве в качестве чувствительного элемента одномодового оптического волокна с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным, мы уменьшим влияние внутреннего и наведенного линейных двойных лучепреломлений и реализуем большую чувствительность и стабильность измерений, повысив устойчивость трансформатора к вибрациям и термическим напряжениям.

Установив на конце оптического волокна отражательный элемент, мы исключим зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от формы (геометрии) катушки из оптического волокна оптического волокна. В качестве отражательного элемента может быть использовано зеркальное покрытие торца оптического волокна, нанесенное гальваническим способом, напылением в вакууме или каким-либо другим методом.

Выбрав форму катушки из оптического волокна из условия компенсации линейных двойных лучепреломлений, вызванных изгибом волокна при намотке, мы повысим точность измерений, исключив влияние двулучепреломления в волокне на состояние поляризации светового сигнала. Для этого, например, каждому участку оптического волокна, изогнутому по дуге окружности в какой-либо плоскости, должен быть сопоставлен такой же участок в перпендикулярной плоскости.

Преобразуя и передавая информацию об измеряемом токе в форме цифрового сигнала, мы повысим надежность передачи сигнала от трансформатора тока до контрольно-измерительной аппаратуры.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического трансформатора тока. На фиг.2 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с разъемным первичным токоведущим контуром. На фиг.3 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с неразъемным первичным токоведущим контуром. На фиг.4 показана схема построения волоконно-оптического трансформатора тока с многовитковым токоведущим контуром.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического трансформатора тока, включающего токоведущий контур 1, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом 2 в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, различающиеся угловой ориентацией, а также узел 5 преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок 6 формирования измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.

Средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, например, включает в себя источник линейно поляризованного излучения (полупроводниковый лазер), при необходимости дополнительные поляризатор, сохраняющее поляризацию оптическое волокно, фазовую пластину и соединитель оптического волокна (на фиг.1 не указаны). В состав средства 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, например, входят соединитель оптического волокна (на фиг.1 не указан), коллимирующая линза 7 и поляризационные делители 8, 9. Преобразование составляющих светового сигнала в нормированные по интенсивности электрические сигналы осуществляется в соответствующих фотоэлектрических преобразователях 10-13 узла 5, предпочтительно состоящих из фотодиода и усилителя (на фиг.1 не обозначены). Блок 6 формирования включает в себя узел 14 фильтров нижних частот для выделения постоянных и переменных составляющих сигналов и узел 15 обработки, формирующий из полученных сигналов и их постоянных и переменных составляющих измерительный сигнал, по которому легко определяется измеряемая величина — переменный электрический ток. На фиг.1 обозначены:

i — переменный электрический ток;

I1 , I2, I3, l 4 — нормированные по интенсивности электрические сигналы;

— направления передачи светового и электрического сигналов;

М — измеряемый сигнал.

Для определения величины измеряемого сигнала М целесообразно использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в сочетании с электронной вычислительной машиной, например, на базе персонального компьютера PC IBM.

На фиг.2 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с разъемным токоведущим контуром на опорном изоляторе, а на фиг.3 — вариант с неразъемным первичным токоведущим контуром (на примере конкретного исполнения). Токоведущий контур 1 волоконно-оптического трансформатора тока включает контактные площадки 16 для присоединения подводящих проводов. Токоведущий контур 1 волоконно-оптического трансформатора тока является элементом высоковольтной арматуры опорного изолятора 17, снабженного защитным покрытием 18 и фланцем 19 нулевого потенциала. Волоконно-оптический трансформатор тока включает магнитооптический чувствительный элемент в виде размещенной непосредственно на высоковольтной арматуре катушки 20 из оптического волокна с защитной оболочкой 21. Концы 22 катушки 20 проведены через внутреннюю полость опорного изолятора 17. Оптически связанные с катушкой 20 средства 23 ввода в волокно поляризованного светового сигнала и деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на фланце 19 нулевого потенциала, а для присоединения к внешней измерительной цепи использованы соединители 24 оптического волокна.

На фиг.4 показана схема построения волоконно-оптического трансформатора тока с многовитковым токоведущим контуром, состоящим из П-образных отрезков токоведущей шины 25 и перемычек 26. На фиг.4 показан токоведущий контур, состоящий из четырех витков. Сходным образом может быть сформирован токоведущий контур, состоящий из произвольного числа витков.

Рассмотрим по схеме на фиг.1 принцип работы устройства по п.п.1 и 2 формулы. Измеряемый электрический ток i создает вокруг проводника 1 магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света от источника излучения средства 3 через находящийся в этом поле магнитооптический материал длиной l (чувствительный элемент 2) происходит вращение его плоскости поляризации на угол

где V — константа Верде материала;

Н l — составляющая магнитного поля вдоль направления распространения света.

При выборе в качестве чувствительного элемента 2 оптического волокна, образующего n витков вокруг проводника 1 с измеряемым электрическим током i, угол α поворота плоскости поляризации света на выходе волокна составит α =Vni.

Световой сигнал, прошедший коллимирующую линзу 7, далее подается на поляризационные делители 8 и 9 средства деления 4.

При использовании одного поляризационного делителя, как правило, установленного под углом 45° к направлению поляризации падающего света, световой сигнал делится на пару взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих. В идеальном случае (при отсутствии двойных лучепреломлений, вызванных, например, термическими и механическими напряжениями) эти составляющие преобразуются в узле 5 в нормированные по интенсивности электрические сигналы Il=I0cos 2(α +45°) и I2=I 0sin2(α +45°). Здесь величина Io соответствует интенсивности света на входе поляризационного делителя 8, 9. Производя в блоке формирования 6 операции деления разности интенсивностей на их сумму, можно сформировать измерительный сигнал, зависящий только от угла поворота плоскости поляризации, а значит, и от величины измеряемого тока

М=(I1-I 2)/(I1+I2)=sin(2 α )=sin(2Vni),

где М — величина измерительного сигнала,

и по нему найти измеряемую величину i=arcsin(M/2Vn).

В реальной оптической системе под воздействием внутренних и внешних факторов (линейное двойное лучепреломление в чувствительном элементе, изгибы волокна — так называемый геометрический эффект, вибрации, термические напряжения и пр.) изначально линейное состояние поляризации светового сигнала преобразуется в эллиптическое, азимутальный угол которого относительно направлений поляризационного делителя может отличаться от 45°. В итоге это ведет к смещениям «рабочей точки», и чувствительность трансформатора становится нестабильной, сильно зависящей от условий измерения.

Использование двух поляризационных делителей 8 и 9, осуществляющих деление светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, позволяет получить информацию о состоянии поляризации светового сигнала в волокне, то есть о величине смещения «рабочей точки». Например, для частного случая, когда угол эллиптичности € =0 и уход «рабочей точки» связан с изменениями азимутального угла вектора поляризации, алгоритм формирования измерительного сигнал М при установке поляризационных делителей с углом между направлениями поляризации пар пучков, равным ± π /4±k π /2 (k — целое число) соответствует относительно простому выражению

Вся правда об оптических трансформаторах: часть 2

Вопрос 1: Каков срок службы волоконно-оптического датчика тока? Подвержено ли оптическое волокно старению?

Чувствительный волоконный элемент ТТЭО: неразмыкаемая петля / «Профотек»

Фундаментальных физических причин для старения волокна нет. Старение может наступить в результате технологических нарушений защиты волокна от воздействия внешней среды (в частности, при проникновении воды внутрь конструкции оптического кабеля) и нарушений условий эксплуатации (например, от недопустимых механических напряжений волокна). Индикатором старения можно считать ухудшение параметров волокна, например, увеличение потерь оптического излучения в волокне (помутнение). Для исключения влияния таких потерь на точность и стабильность измерений применяется описанный в предыдущей статье метод оптического интерферометра, обеспечивающий малую зависимость от величины оптического затухания в волокне.

Проблемы механического разрушения волокна устраняются с использованием уникальной технологии укладки волокна с «нулевым натяжением». Данная технология разработана «Профотеком» в процессе отработки конструкции оптических трансформаторов и является коммерческой тайной.

Вся правда об оптических трансформаторах: часть 1

Влияние влаги на оптические свойства волокна в настоящее время является давно решенной проблемой, поскольку использование современных видов полимерных покрытий (оболочек кабелей) и различных видов гидрофобных наполнителей элементов волоконно-оптических конструкций позволяет прокладывать оптические кабели даже по дну морей и океанов на больших глубинах — и срок службы при этом будет исчисляться десятками лет.

Кабели не содержат металлических или иных проводящих элементов и имеют повышенные диэлектрические характеристики.

Чувствительный волоконный элемент ТТЭО: размыкаемая (гибкая) петля / «Профотек»

Для долговременной работы оптических трансформаторов и контроля состояния волоконного датчика тока имеет большое значение встроенная в прибор система онлайн-диагностики. Диагностический контроль заключается в постоянном (в темпе процесса) измерении около 20 статусных параметров ТТЭО в режиме реального времени, сравнении полученных значений с предельно допустимыми и выводе данных о состоянии модулей прибора в метрики качества замера потока по МЭК 61850-9-2 и ежесекундно на дисплей электронно-оптического блока и на светодиодные индикаторы на панели прибора с возможностью передачи данных для наблюдения внешними системами диагностики. Онлайн-мониторинг работоспособности трансформатора обеспечивается наличием специального диагностического порта, который может работать в режиме удаленной диагностики, или путем формирования общего статуса работоспособности по стандарту МЭК 61850-8-1.

Вопрос 2: Существуют ли ограничения на расстояние между блоком электроники, устанавливаемым на общестанционном пункте управления (ОПУ), и чувствительным оптическим элементом, устанавливаемым на ОРУ?

Для оптоволоконного трансформатора тока существует определенное ограничение по данному расстоянию — его максимум равен 1 300 м.

Наличие ограничения объясняется особенностями работы волоконно-оптического модулятора, одного из основных элементов трансформатора тока. Модулятор работает по принципу запаздывающей фазовой модуляции фазового сдвига между рабочими световыми волнами оптического интерферометра. Практическая реализация данного принципа требует определенных соотношений между рабочей частотой и длиной соединительной линии.

Сам модулятор оптоволоконного трансформатора тока располагается в блоке электроники. Такое размещение элемента позволяет обеспечить практически идеальную электрическую изоляцию от высокого потенциала и выполнить одно из важных требований, предъявляемых к измерительным трансформаторам, — обеспечение максимальной безопасности обслуживающего персонала. Стальной сердечник и оплетка отсутствуют, а волоконный соединительный кабель является превосходным диэлектриком. Механическая прочность кабеля обеспечивается стеклопластиковыми прутками.

Для электронного трансформатора напряжения нет принципиальных ограничений на расстояние между блоком электроники и изоляционной колонной. Однако на практике чаще всего хватает тех же 1 300 м.

Вопрос 3: Включены ли датчики с цифровым интерфейсом, соответствующим стандарту МЭК 61850-9-2 LE, производства «Профотек» в Государственный реестр средств измерений? Какие классы точности они имеют?

Оптоволоконные трансформаторы тока с цифровым интерфейсом включены в Государственный реестр средств измерений как измерительные трансформаторы по ГОСТ МЭК 60044-8/7. Их регистрационные данные таковы:

• Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.34541.А № 62214.
• Срок действия свидетельства: до 12.05.2021.
• Официальное название согласно свидетельству: «Трансформаторы тока электронные оптические ТТЭО с цифровым выходом».
• Классы точности ТТЭО с цифровым выходом, внесенные в Госреестр:
  • по переменному току: 0,1; 0,2S; 0,5S; 1,0; 5P; 5TPE;
  • по постоянному току: ±0,1; ±0,2; ±0,5; ±1,0.

Вопрос 4: Каков межповерочный интервал для электронных трансформаторов тока и напряжения? Существует ли оборудование для поверки датчиков с интерфейсом, соответствующим стандарту МЭК 61850-9-2 LE?

Межповерочный интервал для оптоволоконных трансформаторов тока и напряжения составляет 8 лет. Поверка производится в соответствии с методикой МП 2203-0293-2015 «Трансформаторы тока электронные оптические ТТЭО с цифровым выходом. Методика поверки», утвержденной ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» в ноябре 2015 года. Аналогичный документ есть и для трансформаторов напряжения.

Все отгружаемые трансформаторы тока и трансформаторы напряжения поставляются с отметкой о первичной поверке.

(Продолжение следует.)

* * *

Если у вас есть вопросы об оптических трансформаторах, задавайте их в комментариях на сайте, в соцсетях или Телеграм-чате, обязательно отыщем ответ.

Вся правда об оптических трансформаторах: часть 3

Вопрос 1: Каков физический принцип работы датчика тока (чувствительного элемента)? Есть ли разница при использовании жесткой головы и гибкой петли?

Рис. 1 Физический принцип измерения тока

В основе измерения величины электрического тока прибором производства «Профотек» лежит применение эффекта Фарадея в кварцевом световоде. На рис. 1 можно увидеть, как используется эффект Фарадея для измерения электрического тока. Две световые волны — одна с правой, другая с левой круговыми поляризациями (серая и зеленая на рисунке) — вводятся в многовитковый волоконный контур, который охватывает проводник с током. Если тока в проводе нет, световые волны распространяются с одинаковой скоростью и на выход приходят с нулевой относительной разностью фаз. При наличии электрического тока в проводнике световод оказывается в продольном магнитном поле протекающего тока. При этом в световоде наводится циркулярное двулучепреломление, и скорость распространения световых волн по контуру становится разной. Следовательно, между волнами возникает временная задержка и относительный фазовый сдвиг φ. Если световод имеет однородную магнитооптическую чувствительность по длине, а волоконный контур замкнут (начало и конец чувствительного волокна в контуре совпадают), то связь фазового сдвига и тока выражается простой формулой φ = 2VNI, где V, N, I — магнитооптическая постоянная кварца, число витков и измеряемый ток соответственно. Таким образом, измерив относительный фазовый сдвиг между световыми волнами, мы получим информацию о величине тока. Фазовый сдвиг измеряется с помощью низкокогерентного волоконного интерферометра, входящего в состав обсуждаемого прибора.

С точки зрения физического принципа действия разница между жестким чувствительным контуром (жесткой головой) и гибкой петлей отсутствует.

Как жесткая голова, так и гибкая петля представляют собой замкнутый волоконный контур (одно- или многовитковый), в который вводятся две световые волны с ортогональными циркулярными поляризациями. Отличие можно увидеть в количестве используемых витков и в нюансах установки на токовую шину. Так, количество волоконных витков чувствительного контура определяется величиной и диапазоном измеряемого электрического тока и классом точности трансформаторов тока электронных оптических (ТТЭО). При этом на практике жесткая голова может иметь от 1 до 100 волоконных витков, а гибкая петля — от 1 до 20 витков.

Вся правда об оптических трансформаторах: часть 1

Вопрос 2: Как на входе чувствительного волоконного контура формируются световые волны с круговыми поляризациями? Что представляет собой низкокогерентный волоконный интерферометр?

Чтобы обеспечить погрешность измерения величины электрического тока на уровне 0,2% и ниже, измерение фазового сдвига между световыми волнами, индуцированного магнитным полем измеряемого тока, должно быть выполнено с погрешностью не более нескольких микрорадиан в полосе 1 Гц. Это очень высокая точность, и достигается она методом низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии, две отличительных особенности которого — использование низкокогерентного оптического излучения (длина когерентности составляет несколько десятков длин волн) и применение взаимного волоконного интерферометра с близкой к нулю разностью длин оптических путей для рабочих световых волн. Отсюда и возник термин «низкокогерентный волоконный интерферометр». Схема такого устройства показана на рис. 2.

Рис. 2. Низкокогерентный волоконный интерферометр: 1. Источник низкокогерентного излучения. 2. Фотоприемник. 3. Волоконный ответвитель. 4. Волоконный поляризатор. 5. Пьезоэлектрический волоконный модулятор. 6. Волоконная линия задержки. 7. Волоконный преобразователь поляризации. 8. Магниточувствительный многовитковый волоконный контур. 9. Зеркало. 10. Токовая шина.

На преобразователь поляризации (7) приходят сформированные волоконным поляризатором (4) две световые волны с ортогональными линейными поляризациями. С помощью преобразователя поляризации (7) на входе волоконного контура (8) формируются две световые волны с правой и левой круговыми поляризациями, которые, пройдя через чувствительный волоконный контур, зеркально отражаются на его конце (зеркале, 9) и затем проходят путь в обратном направлении. При зеркальном отражении круговые поляризации преобразуются в ортогональные (левая в правую и наоборот), что позволяет скомпенсировать все паразитные взаимные воздействия в чувствительном волоконном контуре, способные повлиять на точность измерения фазового сдвига, обусловленного магнитным полем электрического тока. Аналогичным образом минимизируются паразитные эффекты в оптической части интерферометра от поляризатора (4), где волны интерферируют, до преобразователя поляризации (7) — отличие лишь в том, что здесь при обратном распространении в ортогонально поляризованные волны преобразуются линейно поляризованные волны. В результате разница оптических путей рабочих волн интерферометра определяется только невзаимным фазовым сдвигом Фарадея, обусловленным измеряемым током, что и обеспечивает требуемую высокую точность измерений.

Вопрос 3: Почему измерительный контур меряет ток только внутри самого контура и не чувствует внешние поля (в том числе поле Земли) и почему позиционирование токовой шины относительно измерительного контура не влияет на точность измерений?

Эти свойства измерительного контура определяются фундаментальным физическим законом природы, выражаемым одним из уравнений Максвелла — теоремой о циркуляции вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру. Суть в следующем. В исходном виде выражение для относительного фазового сдвига между рабочими световыми волнами, наводимого магнитным полем измеряемого тока, выглядит так:

Теорема о циркуляции гласит, что циркуляция вектора магнитного поля Н (возбуждаемого стационарными токами) по произвольному замкнутому контору (замкнутость имеет ключевое значение) равна сумме тех токов Ij, которые пересекают поверхность, натянутую на этот контур (формула (2), рис. 3):

Рис. 3. Графическое пояснение теоремы о циркуляции

Эта теорема носит абсолютный характер, то есть, если ток пересекает поверхность, натянутую на контур, он делает вклад в циркуляцию (при этом неважно, как расположен токопровод внутри контура). Контур чувствует ток одинаково вне зависимости от положения шины внутри контура. Если ток не пересекает поверхность, натянутую на контур, то циркуляция равна нулю и Δφ в формуле (1) равно нулю, следовательно, контур не чувствует ток шины, расположенной снаружи контура. Внешние магнитные поля можно смоделировать внешними токами, не пересекающими поверхность, натянутую на контур. Чувствительность к таким полям нулевая. Вклад в сигнал в этом случае тоже нулевой. С магнитным полем Земли — аналогично: оно создается токами в ядре Земли, которые, естественно, не пересекают поверхность, натянутую на волоконный контур.

Если геометрия замкнутого контура изменяется, например, гибкая петля деформируется, это никак не влияет на величину циркуляции, при условии что количество и сила токов, пересекающих поверхность, натянутую на этот контур, остаются неизменными. Циркуляция — интегральная величина, не зависящая от способа, которым создается замкнутый контур. Она вычисляется в виде суммы проекций магнитного поля в точке, где находится элемент dĪ, умноженных на длину |dl|. Когда деформируется замкнутый контур, магнитные поля в каждой точке могут измениться, но интегральная величина — циркуляция магнитного поля — останется неизменной.

Отсюда получаем выводы, дающие ответы на вопросы:

• Сигнал, измеряемый датчиком тока, пропорционален сумме токов, пересекающих поверхность, натянутую на контур. Все геометрические характеристики остаются в циркуляции магнитного поля.
• Внешние магнитные поля можно смоделировать внешними токами, не пересекающими поверхность, натянутую на контур. Чувствительность к таким токам нулевая. Смоделировав магнитное поле Земли также внешним током, аналогичным образом получим нулевую чувствительность к магнитному полю Земли.
• Перемещение токовой шины в пределах контура не меняет условий теоремы о циркуляции и, соответственно, не влияет на точность измерений: один и тот же ток по-прежнему пересекает ту же самую поверхность, натянутую на контур. Напряженность полей в месте расположения элементов dĪ, вообще говоря, меняется при смещении шины, однако циркуляция как интеграл остается неизменной.

Вопрос 4: В чем заключается свойство замыкания оптического контура (т.е. совмещение меток) и как его можно физически объяснить? В чем суть замыкания и что произойдет, если не совместить метки друг с другом, например, на 10 см? Как близко друг к другу должны быть совмещаемые волокна в области меток при условии, что метки совмещены в плоскости, а витки отстоят друг от друга на 10 см?

Под замкнутым волоконным контуром понимается полное совмещение начала и конца чувствительного spun-волокна по всем трем координатам (т.е. ось в ось). По двум координатам принципиальных ограничений на совмещение в контурах от «Профотек» нет. По третьей координате пределом является диаметр волокна (250 мкм) или кабеля (1 см). В этом случае погрешность замыкания можно оценить величиной dвол/Lконт (жесткая голова) или Dкаб/Lконт (гибкая петля), где dвол — диаметр волокна в защитной оболочке, Dкаб — диаметр кабеля гибкой петли, Lконт — длина контура.

В случае жесткой головы для Lконт = 100 м, dвол = 250 мкм погрешность замыкания составляет 2,5 на 10 в -6 степени. Эта величина может быть использована для оценки остаточного влияния позиционирования токовой шины внутри контура жесткой головы на точность измерения. В данном случае для фиксированной температуры остаточное влияние позиционирования шины составит 2,5 на 10 в -6 степени от величины измеряемого тока. В диапазоне рабочих температур 100ºС при длине контура 100 м зазор изменится на 1 см. Остаточное влияние позиционирования шины возрастет до 0,0001 от измеряемого тока. Такая величина — небольшая (0,01%), т.е. это уровень хорошего эталонного трансформатора. Вклад от внешних токов будет составлять 0,0001 от величины их магнитных полей в области контура. Используя формулу для гибкой петли, можно увидеть, что рассовмещение на 10 см по одной координате друг от друга дает погрешность замыкания 0,01 (при полной длине петли 10 м), что может изменить показания измерения тока на величину до 1% при позиционировании шины внутри контура. Понятно, что это недопустимо. Желательное минимально приемлемое рассовмещение составляет 0,001 от длины гибкой петли и не превышает 0,0001 для жесткого измерительного контура.

В реальности замыкание чувствительного волоконного контура происходит путем совмещения волоконной фазовой пластинки, расположенной на входе чувствительного волокна, и зеркала, расположенного на другом конце того же волокна. В случае жесткой головы такое совмещение делается при сборке на производстве один раз. Принимаются меры, чтобы механические воздействия не нарушали замкнутость контура. В случае гибкой петли замыкание контура требуется при каждом новом монтаже петли на объекте. При этом критерием замкнутости является совмещение меток, нанесенных на внешней стороне волоконного кабеля петли. Совмещение меток фиксируется специальным и очень надежным замком.

Вся правда об оптических трансформаторах: часть 2

Вопрос 5: В чем заключается физическая сущность замыкания оптического контура? Почему именно при совмещении меток пропадает влияние токов с внешней стороны волокна, но остается чувствительность к токам, которые находятся внутри замкнутого оптического контура?

Строгий ответ на данные вопросы для замкнутого контура произвольной формы дает одно из уравнений Максвелла (теорема о циркуляции вектора магнитного поля Н, возбуждаемого стационарными токами). Можно также дать качественное пояснение на примере простого кругового контура.

Разность фаз между волнами правой и левой циркулярной поляризации (сдвиг Фарадея) при прохождении волнами элементарного направленного участка световода (элемента) под воздействием магнитного поля тока определяется скалярным произведением вектора магнитного поля, создаваемого током, на направление этого волоконного элемента. Отсюда знак сдвига Фарадея определяется проекцией вектора магнитного поля, создаваемого током, на направление этого волоконного элемента. Замкнутый круглый контур можно представить в виде суммы подобных направленных элементов, при этом если шина находится внутри контура, то в каждый конкретный момент времени проекция вектора магнитного поля, создаваемого током в шине, на направленный элемент, имеет один и тот же знак для каждого элемента контура. Следовательно, и знак фазового сдвига Фарадея для любого элемента контура один и тот же. Сдвиг Фарадея по всему контуру будет равен просто арифметической сумме элементарных сдвигов Фарадея (ток чувствуется внутри контура).

Для токовой шины вне контура ситуация другая.

Для половины элементов, входящих в контур, проекция вектора магнитного поля внешнего тока на элемент оказывается отрицательной, а для другой половины элементов — положительной. Следовательно, одна половина сдвигов Фарадея будет иметь отрицательный знак, а другая половина — положительный. При этом в целом по контуру суммарный сдвиг будет равен алгебраической сумме элементарных сдвигов, половина из которых имеет знак «плюс», а половина — «минус». Круговой контур можно поделить на элементы так, что противоположные по знаку элементарные сдвиги при этом будут равны по модулю. В результате все положительные сдвиги компенсируются отрицательными (внешний ток не чувствуется замкнутым контуром). Если контур не полностью замкнут, нулевой баланс нарушается — и контур чувствует остаток внешнего тока.

* * *

Если у вас есть вопросы об оптических трансформаторах, задавайте их в комментариях на сайте, в наших соцсетях (vk, fb) или телеграм-чате, мы обязательно отыщем ответ.

От оптического волокна к электронным трансформаторам

Мы попросили Николая Ивановича Старостина, можно сказать, стоявшего у истоков становления данного направления, рассказать нам о прошлом и настоящем оптических трансформаторов.

Цифровая подстанция: Какова история появления волокна в России и в мире?

Николай Старостин: Первое упоминание о световоде как элементе, который может проводить свет, относится ко второй половине XIX века. Впервые идею о канализации света высказал русский инженер Чиколев в 60-х годах XIX века. Он же в середине 70-х годов с помощью своего световода осветил погреба Охтинского порохового завода и помещения крупных магазинов Санкт-Петербурга. Световодом служила металлическая труба с зеркальными внутренними стенками, а источником излучения являлась угольная дуга «свеча Яблочкова». Возможность управления направлением распространения света с помощью изогнутой струи воды была также показана английским физиком Джоном Тиндалем в 1870 году на заседании лондонского Королевского общества. Свет распространялся по струе воды благодаря полным внутренним отражениям на границе «вода-воздух». Фактически на том же принципе, как это происходит в современных оптических волокнах.

С начала 50-х годов ХХ столетия в мире начались практические работы по разработке технологии массовых оптических волокон.

Но первые из них имели страшно большие потери — до 1000 дБ/км, и фактически можно было пользоваться только очень короткими отрезками таких оптических волокон, 2–3 метра, не более. В 1958 году советские физики Варгин и Вейнберг показали, что большие потери в волокне определяются большим количеством примесей — частиц металла в стекле, и что теоретически чистое стекло имеет практически нулевое поглощение. Через 8 лет английские специалисты подтвердили результат советских ученых, показав, что очистка стекла позволяет получить потери в световоде меньше 20 дБ/км.

В 1970 году компания Корнинг получила первое опытное волокно не хуже 16 дБ/км. Этот год можно считать датой рождения современного оптического волокна. Далее успехи нарастали, через пару лет потери уже достигли 4 дБ/км, в 1976 году на Западе была построена первая промышленная установка для вытяжки волокна, в 1978 году — первый завод по производству волокна. Что касается нашей страны, то в Советском Союзе также к 1975 году уже имелись волокна, близкие по параметрам к мировому уровню того времени. Первые волокна были получены в двух институтах Академии наук — в Институте общей физики РАН в группе Дианова (сейчас академика) под руководством академика Прохорова и в Институте радиотехники и электроники под руководством академика Котельникова в том же отделе, где находилась и находится сейчас моя лаборатория. Академик Прохоров был инициатором постановки производства волокна в СССР. Под его руководством было закуплено оборудование и размещено во Владимирской области, но, к сожалению, экономические и политические события того времени не позволили поставить производство оптического волокна. После девяностых годов и по настоящее время в России в основном производятся только специальные волокна. Такие волокна изготавливаются в упомянутых мною двух институтах РАН и еще в нескольких компаниях, таких, как Пермская научно-производственная приборостроительная компания (ПНППК), «НТО ИРЭ-Полюс» и НПК «Оптолинк». В прошлом году было анонсировано открытие завода по производству волокна в Саранске, но какие волокна будут выпускать, пока еще точно не решено.

ЦПC: Есть ли отличие между обычным оптоволокном, например, которое мы используем дома, и тем, что применяется в измерительных трансформаторах?

НС: Подавляющий объем волокон, поставляемых на рынок, это так называемые связные волокна. Они существенно улучшили качество нашей жизни, например, обеспечивают нам подводку интернета в квартиры. Основное требование к ним — это передача максимума информации с малыми потерями на максимальное расстояние.

Специфические же области применения требуют наличия специальных волокон, к которым предъявляют такие требования, как, например, сохранение поляризации светового излучения, усиление излучения, работа в экстремальных условиях, таких как радиация или высокая температура, порядка 500°С и т.д. (хотя и требование малых потерь, конечно, тоже никто не отменял). Существует порядка 20 типов специальных волокон. Среди них можно выделить активные волокна, фоточувствительные, магниточувствительные, микроструктурные, анизотропные волокна, радиационностойкие. Объем их потребления, конечно, существенно меньше связных, но он интенсивно растет.

В наших электронных оптических трансформаторах используется несколько видов специального волокна.

Это, прежде всего, анизотропное волокно, поляризующее и самое главное, которое используется в качестве чувствительного элемента, — магниточувствительное волокно, или его также называют spun-волокно. Основная задача всех этих волокон в том, чтобы поддерживать необходимые параметры излучения в условиях сильного перепада температур, обычно от —60°С до +60°С, изменения влажности, давления и т.д. И вот от особенностей этих волокон сохранять свои параметры в изменяющихся условиях окружающей среды напрямую зависит и точность измерения электронных оптических трансформаторов тока. История spun-волокна для измерения тока «уходит корнями» в Англию в Саутгемптонский университет, где был изготовлен опытный образец такого волокна. Один из пионеров spun-волокна — Дэвид Пэйн.

Разными производителями используется разный набор типов оптических волокон. Если обобщить, то главные волокна у всех производителей — специальные, но количество связного волокна у каждого производителя свое.

ЦПC: Правда ли, что чувствительное оптоволокно, которое используется западными компаниями в производимых ими измерительных трансформаторах, это разработка российских ученых?

НС: Как было сказано выше, первый опытный образец spun-волокна был изготовлен в Саутгемптонском университете, там же была продемонстрирована возможность использования такого волокна для измерения тока. Российскими разработчиками в Институте Радиотехники и электроники РАН по запросу компании NxtPhase T&D Corporation технология spun-волокна была усовершенствована до уровня практического применения в волоконных трансформаторах тока и был освоен мелкий выпуск волокна с последующей продажей его компании NxtPhase. Разработчиком трансформаторов от NxtPhase T&D Corporation (ныне Alstom/GE) был Джордж Блэйк, он покупал российское волокно и был очень им доволен. И вот однажды на конференции по волоконным датчикам он подарил сборник своих трудов с надписью «Russian fiber is the best» («Русское волокно лучшее»).

Мы были одними из первых, но сейчас нельзя утверждать, что мы единственные в мире разработчики. Сейчас есть по крайней мере несколько точек, где производят такие волокна. В частности, в Англии (фирма FiberCore), в Австралии и еще где-то. Информация о производителях spun-волокна является в некоем роде коммерческой тайной.

ЦПC: Как появилась идея использовать волокно для целей измерения и разработать измерительный трансформатор?

НС: Идея создать современный волоконно-оптический трансформатор возникла очень давно. Как только в середине 1970-х появилось первое нормальное волокно, разработчики осознали, что с помощью него можно измерять электрический ток. Но когда дело дошло до проверки идеи, выяснилось, что есть много внешних факторов, которые очень сильно затушевывают сигнал о токе, создают множество помех.

Первые чувствительные элементы, которые использовались в оптических трансформаторах тока, были всего лишь прототипами, нельзя было говорить об обеспечении точности в условиях высоких температур, при укладке волокна в приемлемые габариты.

Кроме того, сама измерительная часть, то есть интерферометр, тоже была на начальной стадии. Прорыв произошел, когда появилось волокно, которое могло выдерживать климатические изменения, т.е. работать в диапазоне температур хотя бы —40°С — +60°С, и не менять своих характеристик, а значит, и не менять информационного сигнала, не ухудшать точность измерения в зависимости от температуры.

Кроме того, очень важным прорывом для создания современного оптического трансформатора тока был переход к цельноволоконному измерительному интерферометру, т.е. интерферометру, состоящему исключительно из элементов в виде отрезков волокна, в котором оптическое излучение распространяется только в кварцевой среде и не выходит в воздушное пространство, как это было при использовании дискретного оптического интерферометра.

Элемент башни вытяжки оптического волокна (конец 1990-х).

Прорыв произошел где-то в 1994 году, когда на Западе появились первые работы, демонстрировавшие будущие трансформаторы тока на основе цельноволоконного исполнения и использовавшие в качестве чувствительного элемента spun-волокно. Это волокно имеет высокую чувствительность, близкую к чувствительности, определяемой физическими свойствами кварца и, в тоже время, устойчиво к влиянию внешних факторов. Особенность изготовления этого волокна заключается в том, что если обычное волокно производится путем нагревания заготовки при высокой температуре и последующего вытягивания в тонкую нить, то производство spun-волокна — это вытягивание и одновременное закручивание двулучепреломляющей заготовки, в результате чего образуется специальная спиральная структура осей двулучепреломления. И вот появление этого волокна как продукта, пусть даже еще лабораторного, дало толчок к новому витку интереса к оптическим трансформаторам. А уже в 2002 году в США фирма NxtPhase поставила первые оптические трансформаторы на линии электропередачи в качестве пилотных проектов. Вот это был прорыв. И тут, конечно, стоит еще раз отметить, что первые чувствительные волокна для этих трансформаторов были куплены в России, у наших коллег из ФИРЭ.

Первый трансформатор тока фирмы NxtPhase.

Сегодня же «Профотек» и Alstom (GE) используют spun-волокно в качестве чувствительного элемента. АВВ, в свою очередь (по крайней мере несколько лет назад), использовала другой тип волокна, так называемое low—bi. Отличие заключается в том, что если spun-волокно имеет искусственно введенное линейное двулучепреломление, которое позволяет избавиться от влияния внешней среды, то low—bi волокно имеет крайне низкое двулучепреломление. Но для того, чтобы такое волокно уложить в контур малого размера, приходится использовать очень сложную технологию: удалять покрытие с этого волокна, укладывать его в контур небольшого размера, а потом еще отжигать при температуре примерно 800°С. Отжиг дает возможность избавиться от известного эффекта, называемого изгибным двулучепреломлением, который тушит сигнал, связанный с измеряемым электрическим током.

ЦПC: Расскажите о первых разработках трансформаторов в России.

НС: Научной основой российского оптического трансформатора явились фундаментальные исследования, проведенные в Институте радиотехники и электроники им. Котельникова. Вопросы прецизионного измерения физических величин всегда были приоритетной темой для нашего научного коллектива, который входит в отдел «оптоэлектроника и волоконная оптика», в этом же отделе, кстати, находится лаборатория, разработавшая чувствительное волокно. Мы традиционно занимались самыми разными прецизионными измерениями физических величин: сначала это были исследования, связанные с СВЧ-стандартами, потом с оптическими квантовыми стандартами частоты, где основным измеряемым параметром была оптическая частота. Затем, когда появилось первое волокно на Западе и у нас, наши усилия по измерению физических величин были переориентированы на волоконные технологии. Первые наши исследования в этой области были связаны с волоконно-оптической гироскопией, основной задачей которой является измерение угловой скорости объекта.

Один из этапов производства заготовок для spun-волокна: тогда (конец 1990-х гг.)

Далее мы плавно перешли к исследованию оптических методов измерения электрического тока. Предыдущий опыт помог нам быстро форсировать то отставание, которое было в России в части этих методов, и конкретно в разработке прибора, называемого оптическим трансформатором. В 2005–2006 годах мы приступили к этим исследованиям, когда первые опытные оптоволоконные трансформаторы уже работали на линиях электропередачи США, Канады и других стран. Мы быстро преодолели отставание. НИР, который мы провели, показал очень хорошие результаты, и его поддержал фонд Бортника.

Один из этапов производства заготовок для spun-волокна: сейчас (2017 г.)

В результате появился уже не просто лабораторный макет на уровне НИР, а первый вариант макета приборного. Затем нам была оказана поддержка со стороны Роснано и группы Онэксим. Компания «Профотек» была создана в декабре 2010 года, и сейчас нам удалось встать в один ряд с такими известными производителями трансформаторов, как АВВ, Alstom и Arteche.

ЦПC: Можно ли аналогичным образом измерять напряжение?

НС: Практически все представленные сейчас на рынке трансформаторы напряжения — не цельноволоконные. Чувствительным элементом в них является либо емкостной, либо резистивный делитель, а волокно используется только для передачи информационного сигнала с этого делителя на электронный блок.

Да, существует эффект Поккельса, на базе которого той же компанией NxtPhase был разработан трансформатор напряжения. Им удалось преодолеть все проблемы, связанные с влиянием внешних условий, но впоследствии (2008 г.) они вынуждены были отказаться от серийного производства этого трансформатора из экономических соображений. Трансформатор на эффекте Поккельса получился очень дорогостоящий. В настоящее время фирма Alstom, которая поглотила NxtPhase, использует чувствительный элемент на основе делителя напряжения. В России над чувствительным элементом на эффекте Поккельса работает группа коллег — выходцев из академического института прикладной физики в Нижнем Новгороде. Но они столкнулись с очень большими трудностями, связанными с изоляцией высоковольтных вводов, которые пока преодолеть не удалось.

В заключение хотел бы сказать, что, на мой взгляд, плюсы волоконных трансформаторов очевидны, хотя пессимисты стараются их либо не замечать, либо приуменьшать. Несколько примеров преимуществ, недостижимых для классических электромагнитных трансформаторов:

• степень электробезопасности для обслуживающего персонала;
• отсутствие негативного влияния на вторичное оборудование;
• экологичность и универсальность, т.е. способность измерять и постоянный, и переменный ток.

Конечно, «нет предела совершенству», и развитие волоконно-оптических трансформаторов не должно на этом останавливаться. Так, необходимо еще работать над снижением стоимости конечных продуктов, над упрощением процессов ввода и эксплуатации. Но ясно одно — то, что трансформатор тока стал промышленным изделием и сейчас эта реальность помогает изменять будущее энергетики в сторону ее интеллектуализации.

Метрологические проблемы при внедрении электронных устройств измерения тока и напряжения в высоковольтных сетях

В 2010 году разработку электронных трансформаторов напряжения и тока оригинальной конструкции начали и уральские инженеры [1], и уже в начале своей деятельности разработчики столкнулись с метрологическими проблемами внедрения электронных трансформаторов в существующие системы измерения, учета электроэнергии и защиты.

Насколько сложно внести в Государственный реестр средств измерений, и в дальнейшем повсеместно внедрять новые типы оптических и электронных трансформаторов? Рассмотрим по порядку.

С 1999 по 2002 год в Европе были разработаны и приняты стандарты МЭК 60044-7 и МЭК 60044-8 на электронные трансформаторы напряжения и тока соответственно. В России в 2010 году утверждаются (с датой введения в действие с 01 июля 2012 года) два стандарта, выполненные на основе аутентичных переводов на русский язык вышеуказанных стандартов:

• ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 7. Электронные трансформаторы напряжения»;
• ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока».

При рассмотрении этих стандартов видно, что многие пункты «сырые» или находятся в стадии разработки. Конечно же, надо сделать скидку на то, что электронные трансформаторы в России не выпускаются и не внедряются массово, а существуют только в виде опытных образцов или находятся в единичных экземплярах в опытно-промышленной эксплуатации. Рассмотрим, насколько электронные трансформаторы, выполненные по этим стандартам, соответствуют существующим Российским нормам.

Электронный трансформатор напряжения

Вторичное напряжение, вторичные нагрузки и допускаемые погрешности классов точности соответствуют Российским нормам. Правда, в стандарте на электронные трансформаторы тока (ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010) есть указание о цифровом выходе для электронного трансформатора напряжения, соответствующем МЭК 61850, что характеризует качество подготовки этих документов в целом. Прочие несоответствия этого стандарта и других Российских норм прослеживаются в классах напряжений (в частности, для напряжений выше 220 кВ), некоторых технических характеристиках и в методах испытаний.

Электронный трансформатор тока

Выход электронного трансформатора тока по ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 предполагается аналоговый по напряжению, а также цифровой по МЭК 61850. Несоответствие этого стандарта и других Российских норм прослеживается также в классах напряжений (в частности, для напряжений выше 220 кВ), и в отсутствии некоторых широко употребляемых стандартных номинальных токов (в частности 80, 800, 1200 А), некоторых технических характеристиках и в методах испытаний.

1. Не все Государственные метрологические центры способны произвести поверку электронных трансформаторов тока и напряжения, имеющих цифровой выход. И правда, кто сейчас из производителей и потребителей высоковольтного оборудования может похвастаться тем, что имеет оборудование для поверки электронных измерительных трансформаторов с выходом в стандарте МЭК 61850? По нашим данным, в июне 2014 года предприятие «Марс-Энерго» (г. Санкт-Петербург) представило первый в России программно-аппаратный комплекс для этих целей. Но ввиду того, что электронные трансформаторы с цифровым выходом находятся в опытно-промышленной эксплуатации в единичных экземплярах, целесообразность приобретения этого поверочного оборудования стремиться к нулю.
2. На настоящее время какого-либо Государственного Стандарта – методики поверки для электронных трансформаторов не разработано. Для поверки электромагнитных трансформаторов тока и напряжения повсеместно пользуются стандартными методиками поверки, выполненными на основе ГОСТ 8.216-2011 для трансформаторов напряжения и ГОСТ 8.217-2003 для трансформаторов тока. Естественно, для электронных трансформаторов должна применяться своя методика поверки. Возможно, что из-за отсутствия стандартной методики поверки электронных трансформаторов, большинство производителей высоковольтной аппаратуры не спешат браться за разработку и изготовление, а эксплуатирующие организации – за внедрение электронных трансформаторов в электрические сети. Получается замкнутый круг – нет стандарта и методики, потому что нет производства и эксплуатации, а производства и эксплуатации нет, потому что нет стандарта и методики.
3. Еще одна достаточно серьезная метрологическая проблема, которая практически не обсуждается разработчиками электронных трансформаторов – как влияет на точность измерения тока и напряжения воздействие магнитных и электрических полей соседних фаз? Первичная поверка любого трансформатора производится в лабораторных условиях, при приложении напряжения или протекании тока только одной фазы. В реальных электроустановках на датчики магнитного и электрического поля будут наложены внешние магнитные и электрические поля соседних фаз. Приведем пример для измерения тока. В Советском Союзе были проведены исследования [4], которые показали, что трансформатор тока с сердечником в μ раз (μ – относительная магнитная проницаемость материала сердечника) менее подвержен влиянию внешних магнитных полей, чем трансформатор тока без сердечника – будь то катушка Роговского или другой датчик магнитного поля. Стоит пояснить, что относительная магнитная проницаемость μ даже самой плохой электротехнической стали достигает нескольких тысяч. При применении в качестве первичного датчика тока катушки Роговского, магнитооптического датчика тока (например, ячейка Фарадея) влияние магнитного поля соседних фаз будет минимум в тысячу раз выше, чем в электромагнитном трансформаторе тока! То есть для электронных трансформаторов, имеющих в качестве первичного датчика тока катушку Роговского, ячейки Фарадея или датчика Холла, поверку следует проводить в трехфазной схеме токов, что повлечет за собой значительное усложнение испытательного оборудования, и создание отличных от стандартных методик проведения поверки.

Наличие цифровых выходов у электронного трансформатора делает невозможным его подключение непосредственно к серийному счетчику электроэнергии.

Для непосредственного подключения потребуется счетчик с цифровыми входами, но по данным на начало 2014 года, в России не выпускался серийно такой счетчик, внесённый в Государственный Реестр Средств Измерений. Ввиду этого, применение электронных трансформаторов, потребует от конечного потребителя применения вместо простого подключения (рисунок 1) применения неких цифровых программно-аппаратных комплексов сопряжения с серийным счетчиком электроэнергии (рисунок 2). Только в одном случае цифровые выходы будут иметь положительное значение – если в точке измерения реализована архитектура «цифровой подстанции» по стандарту МЭК 61850. Но процесс построения «цифровой» подстанции, анонсированный уже более 6 лет назад, до сих пор не имеет примеров реального полноценного внедрения на территории РФ. При этом, авторы выражают сомнение в том, что удастся в короткие сроки «оцифровать» десятки тысяч подстанций Российской энергосистемы.

Рисунок 1. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением электромагнитных трансформаторов.

 

Рисунок 2. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением цифровых трансформаторов по ГОСТ Р МЭК 60044-7 и ГОСТ Р МЭК 60044-8, стандартного счетчика электроэнергии и терминала защиты.

Для внедрения электронных трансформаторов требуется устранение описанных проблем. Но прямое решение проблем в «лоб» потребуются значительные средства на разработку методик, создание новых комплексов для поверки, программно-аппаратных комплексов сопряжения, что повлечет за собой большие финансовые затраты производителя, который заложит их в цену, что сделает электронные трансформаторы недоступными для эксплуатации еще на долгие годы. Для компромиссного решения этих проблем электронные трансформаторы должны иметь экранированный от внешних воздействий первичный датчик тока и напряжения, и иметь выходы, идентичные электромагнитным трансформаторам.

Первая часть решается просто – введение экранирования первичного датчика тока и напряжения, или применения в их качестве малогабаритных трансформаторов со сталью.

Вторая часть решения будет сложнее и, конечно же, усложнит конструкцию цифрового трансформатора, ведь придется имитировать работу электромагнитного трансформатора с помощью аналоговой силовой электроники, проще говоря, усилителей. На современном этапе развития электроники реализовать это будет несложно. Но для поверки конечного потребителя это решит массу проблем, ведь не будет сложностей с проведением поверки с помощью стандартного метрологического оборудования и подключением такого трансформатора к обыкновенному счетчику (рисунок 3). Кроме этого, переконвертировать такой сигнал в стандарт МЭК 61850 будет проще – для стандартных электромагнитных трансформаторов напряжения и тока созданы программно-аппаратные комплексы. Таким образом, получается электронный трансформатор с малой массой, габаритами и минимальным обслуживанием, при этом он может поверяться стандартными средствами метрологии и по стандартным методикам, он подойдет под замену электромагнитных трансформаторов, а в связке с конвертером МЭК 61850 будет встроен в систему «цифровой подстанции».

Рисунок 3. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением цифровых трансформаторов с аналоговыми усилителями, стандартного счетчика электроэнергии и терминала защиты.

Для реализации описанной архитектуры электронного трансформатора были проведены опытно-конструкторские работы и большой объем исследовательских работ. В результате были разработаны электронные трансформаторы тока и напряжения класса 110 кВ, объединенные в одном корпусе, получившее коммерческое обозначение i-TOR-110.

Решение объединить 2 прибора в одном корпусе пошло только на пользу – были объединены изоляционные конструкции, корпусные детали, блоки питания первичных преобразователей. Масса одного устройства i-TOR-110, на номинальный ток до 1000 А не превышает 60 кг, а вторичного конвертера с аналоговыми усилителями – не превышает 5 кг. Ввиду относительно небольшой массы появилась возможность не только поставить его на опорных конструкциях подстанции, но и повесить на подходящей опоре ЛЭП вместо стандартного подвесного изолятора. Для снижения воздействия внешних электрических и магнитных полей в качестве первичного датчика тока применен малогабаритный трансформатор тока, а для напряжения – экранированный делитель напряжения. Для потребителя сложности с подключением прибора к счетчику или системе учета электроэнергии никаких – выходная силовая электроника полностью имитирует работу электромагнитного трансформатора тока и напряжения. Ввиду того, что устройство i-TOR-110 электронное, они изначально были рассчитано и спроектировано под коммерческие классы измерения – 0,2S для тока и 0,2 для напряжения.

Рисунок 4. Узел коммерческого учёта на базе i-TOR-110 подстанционного исполнения.

Процесс поверки устройства i-TOR-110 полностью аналогичен поверке традиционных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения, с применением стандартного оборудования и методик поверки. Внедрение цифровых трансформаторов в сетях 110 кВ и выше в настоящее время осложнено проблемами проведения поверки и интеграции в существующие системы измерения. Современная метрологическая база не готова к массовому внедрению новых цифровых трансформаторов и их метрологическому обеспечению. В связи с этим, многим энергетикам неочевидна необходимость перехода на новые аппараты. Предложенные в статье решения позволяют снять многие противоречия и облегчить переход отечественных электросетей к новым принципам организации коммерческого учёта и интеллектуальной защиты.

1. Журнал «Энергоэксперт» № 4 за 2012 г. Оптико-электронный трансформатор тока и напряжения оригинальной конструкции.
2. ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010 Трансформаторы измерительные. Часть 7. Электронные трансформаторы напряжения.
3. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока.
4. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев, В. М. Кибель и др. – 2-е изд., – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989 г., пар. 2-7, стр. 81 – 93.

принцип работы, виды, сферы применения, особенности

Много лет назад ученные умы изобрели электричество. Это явление было подобно находке Прометея, подарившего миру огонь. Сейчас же свет существует во многих домах и мы даже не придаём этому значения, а все благодаря специализированным средствам, которые помогают передавать ток и создавать освещение. Речь идёт об оптических трансформаторах тока. О них и их особенностях мы сегодня и поговорим далее.

Кратко о приборе

Итак, трансформатор – это прибор, способный преобразовывать один вид энергии в другую. Оптический трансформатор – это прибор, который имеет в своей конструкции пассивную оптическую колонну и комплект электроники. Такая содержит специальный оптический сенсор – большое количество разных витков из оптического волокна. Они расположены перпендикулярно к шине. Она является платформой для протекания первичного тока. Физический контакт сенсора и шины здесь не нужен. Обратите внимание, на сайте mars-energo.ru Вы можете узнать намного больше про оптические трансформаторы тока и напряжения.

В разных сферах промышленности и энергетики трансформаторы применяются более ста лет. Их работа основана на электромагнитной индукции, которую обосновал ученный Фарадей в далеком 1831 г. т. Стоит отметить, что появление таких трансформаторов было обосновано необходимостью более точных измерений.

В СССР первые оптические датчики тока появились в начале 70-х годов. Мир увидел первое промышленное оптическое волокно, которое начали применять не только для обеспечения дистанционной подачи оптических сигналов, но и для волоконно-оптических датчиков. Но все это тогда не имело большого резонанса и промышленность редко использовала такие элементы. Шло время, технология развивалась и канадцы первыми начали работу по внедрению оптических трансформаторов на мировой рынок. На данный момент промышленность, поставка электрической энергии и прочие сферы деятельности широко применяют такие приборы. А все дело в их великолепных характеристиках.

О видах

В зависимости от области применения трансформаторы ё:

• Бытовые – для защиты бытовых приборов;
• Промышленные – применимы в производстве для охранения функционирования промышленной техники;
• Сварочные позволяют распределить сварочные и силовые сети, понижать напряжение до необходимого безопасного уровня в процессе сварки;
• Развитие современных технологий ведет к расширению видов и возможностей трансформаторов. Ученные работают над внедрением новых видов приборов, которые пригодятся в авиации, военном ремесле.

Выбор вида зависит от типа работ и деятельности компании, которая решает его устанавливать. Поэтому стоит всегда уделять внимание техническим характеристикам таких приборов, а не их стоимости.

О преимуществах

Специалисты отмечают ряд положительных характеристик, которые позволяют таким приборам привлекать все больше покупателей. В числе таковых:

• Масштабное преобразование и измерение как переменного, так и постоянного, импульсного токов разных видов напряжения;
• Обеспечение оптико-электронного малоинерционного преобразования световых сигналов. При этом с отсутствуют явления гистерезиса, магнитное насыщение и остаточное намагничивание, что отличает такие трансформаторы от себе подобных;
• Наличие большого динамического диапазона и высокой точности измерений;
• Возможность защиты токовых цепей;
• Прибор безопасен для экологии, не допускает возникновения пожаров, так как в нем отсутствуют вредные вещества и электропроводящие материалы;
• Такие трансформаторы очень долговечны, стабильны, просты в применении, поэтому не требуют особого технического обслуживания и постоянной поверки;
• В наше время существует много разных компаний, которые занимаются производством трансформаторов такого рода. Это и отечественные и зарубежные производители. Поэтому потребители имеют возможность изучать детали и делать более выгодные приобретения.

Все эти преимущества позволяют с успехом применять оптические трансформаторы в разных областях жизнедеятельности. Таким образом, оптический трансформатор – это более точный и удобный вид прибора, который соединяет в себе функции преобразования тока и напряжения, помогает измерить их величину. На данный момент – это удобный вариант защиты промышленных процессов и обеспечения безопасности работников.