АП / ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА. Цифровой трансформатор токаВся правда об оптических трансформаторах: часть 1
 «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:
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 digitalsubstation.com Пункты коммерческого учета электроэнергии – Цифровые измерительные трансформаторыПреимущества применения ПКУ на базе ЦТТН:
Принцип действия и конструктивные особенности ЦТТНПринцип действия измерительных трансформаторов, входящих в состав ПКУ, состоит в следующем: измерение силы переменного и постоянного тока осуществляется с применением нескольких первичных преобразователей силы тока, выполненных на основе реализации законов полного тока и электромагнитной индукции, закона Ома и гальваномагнитных эффектов. Измерение может осуществляется одновременно преобразователями, выполненными на различных физических принципах (определяется видом исполнения трансформатора). Измерение напряжения переменного и постоянного тока осуществляется с применением делителей напряжения. Далее, при использовании аналогового сигнала, информация передается устройству, осуществляющему коммерческий учет электроэнергии. В случае использования цифрового сигнала, в ПКУ применяется электронный блок, размещаемый на вторичной стороне. Этот блок преобразует выходные сигналы соответствующих первичных преобразователей в цифровой сигнал в формате протокола IEC 61850-9-2LE (протокол передачи может быть изменен либо дополнен другим протоколом по требованию заказчика),далее выполняет формирование пакетов данных и передает их устройству, осуществляющему коммерческий учет электроэнергии. Основными элементами ПКУ являются:
В случае необходимости синхронизация электронных блоков с системой точного времени осуществляется по внешнему стробирующему сигналу 1PPS или данным синхронизации по протоколу PTP. Выбор типа синхронизации производится по требованию заказчика. digitrans.ru Цифровой трансформатор тока для сетей 6-220 кВ · Проекты ·На протяжении нескольких лет ряд компаний и инициативных групп работают над вопросом «чем заменить классический измерительный электромагнитный трансформатор тока?». Предлагаемые решения, не смотря на кажущуюся уникальность, за частую сводятся к применению классических методов преобразования первичного сигнала по средствам электромагнитной катушки, либо применением оптических преобразователей, оправдывающих свою стоимость только при измерении больших токов. В свою очередь инженеры АО «НПО автоматики», решая задачи контроля величины силы тока в бортовой аппаратуре ракет-носителей и космических аппаратов, пошли другим путем, разработав преобразователи магнитного поля на основе магниточувствительных сенсоров, созданных с применением последних разработок Института физики металлов УрО РАН и УрФУ. Основой магниточувствительных сенсоров НПОА являются многослойные магниторезистивные тонкопленочные структуры с толщиной слоев от единиц до десятков нанометров. В сенсорах используются физические явления: - ГМР – гигантский магниторезистивный эффект спинвентильных структур; - АМР – анизотропный магниторезистивный эффект структур с внутренним обменным смещением. Применяя данные технологии в космической отрасли, в которой требования к надежности и точности измерительной аппаратуры оправданно высоки, параллельно велась разработка измерительных приборов для гражданского и общепромышленного применения. Были освоены в производстве датчики постоянного и переменного тока, создан накладной датчик тока, датчики угла поворота и частоты вращения. В результате полученного опыта инженерами предприятия был запущен проект по созданию цифрового трансформатора тока на основе магниторезистивного сенсора, способного работать в сетях от 6 до 220 кВ и рабочими токами до 5000 А с точностью передаваемого сигнала 0,1 (по ГОСТ 7746-2001). Цифровой трансформатор тока (ЦТТ) функционально состоит из трех частей: первичный преобразователь, электронный блок обработки и передачи сигнала и источник электропитания. В качестве основы первичного преобразователя для ЦТТ используется кристалл, содержащий мост из четырех магниточувствительных плеч. Первичный преобразователь преобразовывает магнитное поле, создаваемое измеряемым током, в пропорциональный потенциальный сигнал. Материалом для чувствительных плеч моста служит тонкопленочная среда из пермаллоя, обладающего анизотропным магниторезистивным эффектом, с дополнительным магнитожестким слоем, содержащим антиферромагнетик. Антиферромагнетик через обменное взаимодействие с рабочим слоем пермаллоя создает эффективное «поле магнитного смещения», что приводит к линеаризации и приобретению нечетности (чувствительности к знаку воздействия) выходной характеристики первичного преобразователя. Кроме того, на кристалле размещена планарная катушка для минимизации вариации характеристики первичного преобразователя. Использование антиферромагнетика в качестве источника «магнитного смещения» и планарной катушки для минимизации вариации характеристики преобразователя делает характеристику первичного преобразователя слабо чувствительной к кратным перегрузкам номинального измеряемого тока. Данный тип первичного преобразователя не вносит фазовые искажения в процессе измерения электрического тока. С целью решения задач электрической изоляции разрабатываемого прибора и минимизации массогабаритных характеристик используются следующие конструктивно-технические решения для электронного блока и источника электропитания, которые были отработаны ранее: - передача информации от ЦТТ в систему верхнего уровня организована по радиоканалу; -электропитание ЦТТ осуществляется от цепи измеряемого тока, используется резервирование электропитания от малогабаритного аккумулятора; - крепление ЦТТ осуществляется непосредственно на измеряемой цепи или на конструкционных элементах линии электропередачи. Отсутствие конструктивных элементов, соединяющих ЦТТ с элементами конструкции системы верхнего уровня, позволяет решить задачу электрической изоляции, при этом передача информации осуществляется по радиоканалу с использованием цифровых интерфейсов. Для организации электропитания ЦТТ используется источник питания на основе малогабаритного трансформатора, который преобразовывает ток измеряемой цепи в напряжение на вторичной обмотке, которое далее выпрямляется и стабилизируется электронной схемой источника питания. На период отключения силовой сети и в переходные периоды для электропитания используются малогабаритные аккумуляторы (в том числе созданные на основе последних разработок со сроком службы без дополнительного заряда до 25 лет). Относительно небольшая масса и габариты ЦТТ позволяют устанавливать его непосредственно на измеряемую цепь или на элементы конструкции линии электропередачи. Расчетные габариты устройства на одну фазу (ДхШхВ, мм) - 196х80х60. Масса - 2,2 кг. Ориентировочная стоимость 42 000 руб (на фазу). На основе данной технологии ведутся работы по созданию систем мониторинга и определения предпробойного состояния подвесных изоляторов ЛЭП 110-220 кВ (стекло, фарфор, полимер). gridology.ru История – Цифровые измерительные трансформаторы
Коллектив вел также исследования и разработки с применением магнитотранзисторов в области создания элементов устройств релейной защиты и автоматики, датчиков магнитного поля Земли, датчиков частоты вращения и др. Вместе с развитием микропроцессоров и появлением микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики у коллектива появилась идея объединить магнитотранзистрный датчик тока с микропроцессорным устройством оцифровки и передачи цифровой информации – создать цифровой трансформатор тока. Первые публикации авторов на тему создания цифровых трансформаторов были уже 1997-1998 годах, задолго до формирования концепций направленных на создание “цифровых подстанций” и интеллектуальных сетей Smart Grid. Работы по созданию цифровых трансформаторов в то время выполнялись практически на голом энтузиазме без должного финансирования, несмотря на это в 2006 г. был создан первый образец цифрового комбинированного трансформатора тока и напряжения на номинальное напряжение 220 кВ.В ИГЭУ в 2010 г. создается научно-образовательный центр “Высоковольтные цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения”, первым директором которого был Гречухин В.Н., однако отсутствие финансирования не позволяло проводить дорогостоящие испытания и изготовление элементов цифрового трансформатора. Работы получили импульс в 2013-2014 годах после победы в конкурсе Минобрнауки в рамках реализации Федерально-целевой программы России. В это же время коллектив выступая на различных конкурсах инноваций становится финалистом и победителем конкурсов Русские инновации, Энергопрорыв, а также участником конкурсных мероприятий проводимых иннвационным центром Сколково, Фондом содействия инновациям и агентством стратегических инициатив. Выходы в финал и победы в конкурсах Startup tour, Startup Village и GenerationS открыли перспективу создания компании для коммерциализации своих разработок. Так в 2015 году было коллективом было принято решение об организации компании ООО научно-производственное объединение «Цифровые измерительные трансформаторы» («ЦИТ»). На данный момент коллектив предприятия трудится над созданием инновационных разработок, представляя собой надежный тыл для будущего российской энергетики. В коллективе организации работают как опытные инженеры, кандидаты наук, так и студенты и аспиранты ИГЭУ, перенимающие опыт от старшего поколения. digitrans.ru
www.startbase.ru Нетрадиционный цифровой трансформатор тока на основе технологии ПАВ · Проекты ·В настоящий момент как на отечественном, так и мировом электроэнергетическом рынке в качестве основных нетрадиционных измерительных трансформаторов применяются или оптические (отечественное решение - ЗАО Профотек), или основанные на использовании усовершенствованного кольца Роговского (NCIT от АВВ) т.н. нетрадиционные или цифровые трансформаторы тока. Главные их недостатки - прежде всего, крайне высокая стоимость, особенно это очевидно при рассмотрении перспектив их применения в сетях среднего напряжения (городские, пригородные и промышленные сети), а также, хотя и меньшие по сравнению с традиционными электромагнитными ТТ, но все же значительные массо-габаритные параметры. Выходящие сегодня на рынок (i-Tor, FieldMetrics, PowerSense, и т.д.) т.н. "дистанционные" трансформаторы тока хотя и миниатюризируют решение и в перспективе более экономичны, тем не менее не могут рассматриваться как надежные (особенно с точки зрения РЗА), поскольку предполагают установку достаточно чувствительной электроники непосредственно на высоковольтный токопровод со сложной электромагнитной обстановкой в его окрестности и невозможности оперативной замены вышедших из строя элементов, в т.ч. интерфейса (RF, ВОЛС). Для решения задач РЗА, учета и контроля за потреблением электроэнергии, развертывания современных АСУ, а также поддержки современных требований и стремлений к "цифровизации" (поддержка цифровых технологий в рамках МЭК 61850) в электрических сетях, в том числе в распределительных сетях СН, необходим принципиально новый подход к измерению тока, который с одной стороны позволит измерять токи с показателями и качеством необходимыми для интеграции в шину техпроцесса (согласно МЭК 61850), с другой - обеспечит экономически целесообразное применение стандарта МЭК 61850 и технологии Smart Grid, в целом, в сетях различных классов напряжения (прежде всего, в самых распространённых сетях - распределительных городских, пригородных и промышленных сетях). Разрабатываемое в проекте решение, основанное на применение пассивных акустоэлектронных компонентов (ПАВ-эффект), позволит реализовать совершенно новый, экономичный, чувствительный и, главное, надежный (применение полностью пассивного монокристалла, подвешиваемого на высоковольтном токопроводе) способ измерения электрического тока в сетях различных классов напряжения, в том числе в сетях СН. На сегодня создан прототип пассивного первичного измерителя на ПАВ-эффекте, разработана концепция и способ опроса такого измерителя, располагаемого на высоковольтном токопроводе, от приемо-передающего блока. gridology.ru ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКАRU 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 studfiles.net |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
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.
Разработки и исследования в области измерения электромагнитных величин были начаты коллективом задолго до создания фирмы более 20 лет назад под руководством Гречухина Владимира Николаевича на базе Ивановского государственного энергетического университета. Огромный потенциал, скрытый в этой области, желание изобрести что-то новое, привели к инновационным разработкам молодых ученых. Первыми разработками членов коллектива были датчики тока на магнитотранзисторах, позволяющие измерять как переменный, так и постоянный ток без искажений и насыщения.
Цифровой трансформатор тока и напряжения (ЦТТН) предназначен для измерения и передачи параметров тока и напряжения приборам измерения, учета, защиты, автоматики, сигнализации и управления в сетях переменного тока на номинальное напряжение 6(10) с частотой 50 Гц.
