До последнего времени замеры электрических величин в распределительных устройствах промышленных предприятий, включая электрические станции, выполняются с помощью электромагнитных трансформаторов тока. 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. В статье предлагается использование оптоволоконного трансформатора тока, который, в силу своей конструкции не имеет вышеуказанных недостатков и может быть использован 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. Статья подготовлена на материалах эксперимента, проведенного на объектах АО «Узбекэнерго».
Ключевые слова: измерительный трансформатор тока, магнитопровод, кривая намагничивания, оптоволоконный трансформатор, релейная защита и автоматика.
Until recently, measurements of electrical quantities in switchgears of industrial enterprises, including power plants, are performed using electromagnetic current transformers, the cost of which is a significant fraction of the cost of the entire switchgear. Due to the nonlinearity of the magnetization curve of the magnetic circuit, such current transformers cannot fundamentally provide satisfactory metrological characteristics in transient conditions, as well as after the flow of short circuit currents, when the magnet circuit of the current transformer of the aperiodic component of the short circuit current occurs The article proposes the use of a fiber-optic current transformer, which, due to its design, does not have the above-mentioned drawbacks and can be used in electric power engineering, in high-voltage measuring equipment, in the field of relay protection and automation. The technical result is to increase the reliability and stability of measurements in conditions of long-term operation with all types of affecting electrical voltage, affecting mechanical loads and various effects of environmental factors.
Keywords: current measuring transformer, magnetic core, magnetization curve, fiber optic transformer, relay protection and automatics.
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. Анализ [3, 4, 5] показывает, что основными недостатками электромагнитных измерительных трансформаторов с ростом класса напряжения не пропорционально увеличиваются затраты на изоляцию между первичной и вторичными обмотками трансформатора; импульсные процессы в сетях увеличивают разность потенциалов между точками заземления обмотки высокого напряжения и измерительной цепи, что влияет на точность измерения; погрешность измерения за счет перенасыщения магнитопровода из за токов короткого замыкания протекающих в электрических сетях. Устранение отмеченных недостатков крайне важен на объектах, работа которых требует контроля и управления технологическими процессами с протеканием значительных квазипостоянных электрических токов (величиной до нескольких сотен килоампер). Такая ситуация имеет место, в частности, на предприятиях цветной металлургии. Таким образом, возможности традиционных методов измерения с использованием электромагнитных трансформаторов тока уже практически полностью исчерпаны. Принципиально другой перспективный подход, реализуется в оптико-электронных трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных. [1]
Рис. 1. Принципиальная схема оптоволоконного измерительного трансформатора
Работа волоконно-оптического трансформатора (ВОПТ) основана на бесконтактном оптическом методе измерения электрического тока. Метод использует магнитооптический эффект Фарадея в кварцевом волоконном световоде. Качественно принцип работы ВОПТ поясняется на рис. 1. Две световые волны с ортогональными циркулярными поляризациями вводятся в многовитковый контур из специального световода, внутри контура находится проводник с током. Если тока в проводнике нет, световые волны распространяются по волоконному контуру с одинаковой фазовой скоростью и на выход контура приходят с нулевой относительной разностью фаз. При наличии в проводнике электрического тока световод оказывается в продольном магнитном поле протекающего тока. При этом оптические свойства световода изменяются, и скорость распространения световых волн по контуру становится разной. Соответственно, между волнами на выходе из контура возникает временная задержка и относительный фазовый сдвиг φF. Если световод имеет однородную магнитооптическую чувствительность по длине, тогда связь фазового сдвига и величины электрического тока выражается простой формулой: 
, где N — число волоконных витков, V — константа Верде, I –измеряемый электрический ток. Из формулы следует, что изменением числа волоконных витков можно эффективно управлять чувствительностью преобразователя и соответственно изменять пределы измерения электрического тока. На практике данная особенность делает возможным измерение токов от сотен миллиампер до сотен кило Ампер. Чувствительный элемент — важнейший компонент высокоточного ВОПТ. Чувствительные элементы, производимые ЗАО «Профотек», имеют две базовые модификации: «жесткая петля» и «гибкая петля». [7]
Поскольку мы проводили эксперименты по замене электромагнитных измерительных трансформаторов на ВОПТ на линиях электропередач и распределительных устройствах, то мы остановились на модификации «гибкая петля». При использовании данного типа чувствительного элемента не требуется разрывать электрическую линию. Гибкая петля представляет собой волоконно-оптический кабель, внутри которого находится магнито-чувствительное волокно. Основная область применения гибкой петли электрические линии на токи более 2 кА и напряжением свыше 10 кВ. Кабель с чувствительным волокном просто обматывается вокруг токовой шины. Количество витков определяется величиной электрического тока. Чувствительный элемент ВОПТ при работе испытывает значительные воздействия внешней среды, в частности рабочий диапазон температур может составлять минус 60ºС…+60ºС. Обеспечение класса точности ВОПТ 0.2S в таких жестких условиях требует от чувствительного световода хороших температурных свойств по чувствительности к измеряемому току [6]. На рис. 2 приведена температурная характеристика токовой чувствительности световодов, используемых ЗАО «Профотек» в своих чувствительных волоконных элементах. По оси Y отложено значения измеряемого эталонного тока (I=3,125 А, погрешность воспроизведения <0.1 %) при разных температурах чувствительного световода.
Рис. 2. Температурная характеристика токовой чувствительности световодов. (гибкая петля)
Из рис. 3 видно, что в диапазоне 100 градусов интегральное изменение показаний ВОПТ (магнито-оптической чувствительности световода) составляет менее 1 % при высокой степени линейности температурной зависимости. Столь высокие температурные свойства позволяют без контроля температуры чувствительного элемента в диапазоне температур 100 градусов иметь в приборах ЗАО «Профотек» погрешность измерения <±0.5 %. [7]
Рис. 3. Результаты сравнения эталонного классического трансформатора КНТ-05 (класс точности 0.05 %) с ВОПТ ЗАО «Профотек» при разных температурах чувствительного элемента
Графики приведены для токового номинала 1000 А при трех температурах в камере: -40 °С, +20 °С, +60 °С Штриховая линия показывает границы погрешности, допустимые для трансформаторов тока класса точности 0.2S.
Основываясь на теоретическом и практическом материале работы, мы провели эксперимент по использованию ВОПТ ЗАО «Профтек» на линиях (220–330) кВ. В частности, на линиях электропередач 220 кВ. системы Заря-Сырдарьинская ГРЭС-Кайракумская ГЭС было установлено 4 ВОПТ и на линии 330кВ Худжанд-Сырдарьинская ГРЭС один ВОПТ.
Заключение
- Из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода электромагнитные трансформаторы тока, ныне используемые в распределительных сетях АО «Узбекэнерго», принципиально не могут обеспечить удовлетворительные метрологические характеристики в переходных режимах. В условиях сегодняшней динамики промышленного развития Узбекистана, это серьезный недостаток.
- Технологические потери электроэнергии, вызванные работой систем учета, защиты и противоаварийной автоматики при переходе на ВОПТ снизятся в 2–5 раз за счет возможности соединения их с цифровыми каналами связи.
- Использование ВОПТ позволяет измерять параметры электрического тока без дополнительного потребления энергии из линии.
- Результаты экспериментов по замене электромагнитных измерительных трансформаторов тока на ВОПТ, подтвердили все теоретические выкладки работы и показали, что точность измерения повысилась на (10–18) % за счет уменьшения влияния переходных процессов.
Литература:
- Fidanbolu K, Efendiogly H, (2017) Fiber optic sensors and their applications; Istanbul, Fatih University.
- Rian I. U. (2018) Experimental comparision of Conventional and non-conventional optical current transformers; Norvegian University of science and technology.
- Richard C Dof; Rober H Bishop (2011) Modern control systems.
- Luke Meakin, Peter Saxby, Design fundamentals for drive systems on conveyors Published in:IEEE Transactions on Industrial Electronics (Volume: 65, Issue:11, Nov. 2018) Page(s): 8532 Date of Publication: 01 March 2018.
- Blake J., Williams W., Glasov C., Bergh.R., Fetting K., Hadley E., and Sanders G., “Optical Current Transducers for High Voltage Applications”, 2nd EPRI Optical Sensors Systems Vorkshop, Atlanta, Jan. 2000.
- Nikolay I. Starostin, Maksim V. Ryabko, Yurii K. Chamorovskii, Vladimir P. Gubin, Aleksandr I. Sazonov, Sergey K. Morshnev, Nikita M. Korotkov, “Interferometric Fiber-Optic Electric Current Sensor for Industrial Application”, Key Engineering Materials, vol.437, 314–318, 20.
- Николай Старостин http://digitalsubstation.com/blog/2012/12/04/sovremenny-e-volokonno-opticheskie-pr/.
