Оптические преобразователи тока и напряжения для цифровой подстанции

Неизбежность замены традиционных СИ

Что влечет за собой развитие сетей Smart Grid и внедрение идеологии цифровых подстанций? Неизбежность замены традиционных
аналоговых СИ (трансформаторов тока и напряжения, систем учета, защиты и автоматики) на цифровые СИ.
Основные требования к цифровым СИ, включая датчики, сенсоры тока, напряжения:
 быстродействие, широкий частотный диапазон до 6 кГц;
 большая перегрузочная способность, динамический диапазон;
 отсутствие влияния коротких замыканий;
 высокая электрическая изоляция при компактных размерах;
 малый вес, удобство монтажа;
 пожаробезопасность, экологичность.
Имеются альтернативные варианты традиционным трансформаторам (в основном электромагнитным). Это датчики тока на основе
катушек Роговского, магнитотранзисторов и датчики напряжения на основе емкостных и резистивных делителей. Но наиболее перспективными, с нашей точки зрения, являются датчики, основанные на оптических технологиях.

Проблемы внедрения оптических трансформаторов, в особенности на кл. напряжения 35 кВ и ниже

Высокая себестоимость производства оптических ИТН, сконструированных на основе эффекта Покельса, по оценке специалистов связана с техническими и технологическими проблемами и ограничивает их широкое внедрение. 

Но оптические ИТН на классе напряжения 110 кВ и выше (см. рис.) выпускаются серийно несмотря на высокую стоимость. Это объясняется тем, что высокая стоимость самого оптического трансформатора компенсируется меньшими затратами на монтаж по сравнению с традиционными трансформаторами. Но этот выигрыш по общим затратам достигается лишь на уровне напряжения выше 110 кВ. 

И возможно по этой причине оптические ИТН на кл. напряжения 35 кВ и ниже отсутствуют на рынке электроэнергетики для широкого применения.

Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь напряжения

В «НПП Марс-Энерго» решили восполнить пробелы с предложением оптических трансформаторов напряжения на кл. 35 кВ и ниже и тока с простой конструкцией и доступной ценой. В результате были разработаны:

1) Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

2) Электрооптический измерительный преобразователь переменного напряжения, основанный на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

На рисунке приведена упрощенная структурная схема универсального измерительного преобразователя, который в зависимости от используемого чувствительного элемента может использоваться для измерения тока или напряжения.

Перспективные СИ. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5 

Назначение

Преобразователь, состоящий из чувствительного элемента (ячейки Фарадея) и оптоэлектронного блока, предназначен для преобразования первичных мгновенных значений переменных и импульсных токов в пропорциональные значения низкого вторичного тока или цифровой сигнал.  Он основан на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

Принцип действия

Эффект Фарадея проявляется в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света.

Особенности конструкции:

1. В разработанном преобразователе чувствительным элементом являются четыре призмы, расположенные последовательно
по ходу распространения света, выполненные из стандартного диамагнитного стекла и образующие замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током.
2. Поляризаторы интегрированы в призмы.

Преимущества исполнения преобразователя:

1. Низкий уровень шумов
2. Простота оптоэлектронного блока

Технические характеристики опытного образца – прототипа

Предварительные результаты испытаний

Испытания проводились в лаборатории при н. у. 

Структурная схема преобразователя тока

Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100:

Назначение

Преобразователь предназначен для масштабного преобразования мгновенных значений высоких переменных и импульсных напряжений в пропорциональные значения низкого напряжения. Он основан на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

Принцип действия

Эффект электрогирации проявляется в  появлении оптической активности центрально симметричных кристаллов под действием напряженности электрического поля измеряемого напряжения.

Электрооптический эффект электрогирации 50 лет спустя

История открытий в оптике

1845 год - Продольный магнитооптический эффект Фарадея

1893 год - Линейный электрооптический эффект Поккельса

1964 год - Открыт эффект электрогирации, одновременно исследованный японским ученым К. Аизу и русским ученым И.С. Желудевым. В 1969 году украинским ученым О.Г. Влохом были проведены экспериментальные работы.

Эффект электрогирации

Эффект электрогирации заключается в возникновении или изменении оптической активности в кристаллах, находящихся в электрическом поле, которая вызывает поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его распространении через кристалл на угол, пропорциональный напряженности электрического поля и длине пути света в кристалле. Коэффициент пропорциональности равен постоянной электрогирации кристалла.

Конструкция

 ячейка электрогирации, входные электроды которой подключены к измеряемому напряжению
 электронный блок, формирующий нормированный выходной сигнал

Особенности конструкции: в преобразователе измеряемое напряжение прикладывается непосредственно к торцам центрально симметричного кристалла.

Преимущества конструкции:
1) возможность измерения межфазного напряжения;
2) отсутствие пьезоэффекта.

Технические характеристики опытного образца – прототипа

Структурная схема преобразователя напряжения

Предварительные результаты испытаний

Испытания проводились в лаборатории при н. у. 30.04.2014

Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100

Исполнение ИТН и ИТТ для работы в составе ЦПС

Метрологическое обеспечение электронных (цифровых) трансформаторов тока и напряжения

Комплекс средств поверки трансформаторов тока и напряжения «КСП-61850»:

1. Многофункциональный эталонный прибор «Энергомонитор-61850»

2. Высоковольтный измерительный комплект поверки ИТН

3. Комплект поверки ИТТ

Переход от индуктивных традиционных к оптическим измерительным трансформаторам

Взгляд на перемены в технологии производства

Традиционные трансформаторы

Основное сырье: металлическая руда, уголь + Большие производственные площади + Вредные технологии с  использованием компаунда на основе эпоксидных смол + Традиционная технология производства с начала прошлого века = Индуктивные измерительные трансформаторы

Оптические трансформаторы

Песок – основа производства опт. стекла и выращивания кристаллов + Электроника + Наукоемкие высокие технологии обработки = Оптические трансформаторы

Аналогии трансформирования стоимости