Оптические трансформаторы

Сегодня для контроля и учёта активной и реактивной электроэнергии и мощности на промышленных предприятиях используют автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учёта электроэнергии (АИИС КУЭ). Их метрологические характеристики определяются в первую очередь установленными измерительными приборами и масштабирующими преобразователями - измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН), необходимыми для сопряжения измерителей с цепями высокого напряжения и тока.

Широко применяемые в настоящее время в АИИС КУЭ индукционные измерительные ТТ и ёмкостные и индукционные ТН имеют ряд существенных недостатков, влияющих на точность измерений, таких, как:
* значительный тангенс диэлектрических потерь и ухудшенные переходные характеристики ёмкостных ТН;
* малая ширина полосы пропускания и неравномерная частотная характеристика;
* влияние вторичных цепей на точностные характеристики информационно-измерительного комплекса (далее ИИК).

На производстве не менее важны эксплуатационные характеристики (промышленная безопасность, эксплуатационные расходы), на которые негативно влияют следующие факторы:
* насыщение ТТ при коротком замыкании;
* явление феррорезонанса;
* опасность размыкания вторичных цепей ТТ;
* наличие внутри корпуса наполнителя (масло или элегаз);
* большие габариты и масса устройств;
* низкая сейсмостойкость.

Погрешность ИИК на основе индукционных и ёмкостных трансформаторов не бывает менее 0,2%. Большую точность измерений можно получить с помощью оптических измерительных ТТ и ТН, оснащённых цифровыми измерительными системами.

Световые эффекты

В основе работы оптического измерительного ТТ лежит магнитооптический эффект Фарадея (см. статью здесь), который заключается в повороте плоскости поляризации света при его прохождении через вещество, находящееся в магнитном поле. Используя этот эффект, можно добиться высокой точности измерений, а при регистрации параметров световой волны, отражаемой в конце оптического волокна, выходной сигнал датчика оказывается независимым от температурных воздействий и механических вибраций.

Первопроходцем в деле разработки оптических измерительных трансформаторов в конце прошлого века стала канадская компания NxtPhase, сегодня входящая в состав Группы Alstom. В таблице приведены основные характеристики её оптического измерительного ТТ.

Оптический измерительный трансформатор тока

В основе работы оптического измерительного ТН лежит электрооптический эффект Поккельса. Благодаря двухканальному методу измерения обеспечивается устойчивость к колебаниям температуры, вибрациям и изменениям яркости лазерного источника света. Оптические измерительные ТН разработки компании NxtPhase рассчитаны на токи 100-4000 А и напряжения от 110 до 800 кВ и обеспечивают такие же точностные характеристики, как оптические измерительные ТТ. При этом электронный блок выдаёт информацию с разрядностью 32 бита по 80 отсчётов на период (частота 4000 Гц) для систем защиты и по 256 отсчётов на период (12800 Гц) для систем измерения и контроля показателей качества электроэнергии.

Выше точность

Используя при построении ИИК индукционные трансформаторы, можно получить погрешность измерений 0,2%. Оптические ТТ с аналоговыми выходами в подобных схемах позволяют достичь погрешности 0,15%. Если же использовать оптические трансформаторы с цифровым выходом, вполне реально снизить погрешность до 0,11-0,1%.

Оптический измерительный трансформатор напряжения

Отметим другие ключевые преимущества оптических трансформаторов тока и напряжения по сравнению с индукционными и ёмкостными:
* высокая точность сохраняется в широком диапазоне температур;
* отсутствие электрических связей между силовыми и измерительными цепями исключает повреждения при аварийных режимах работы силовых сетей;
* точное воспроизведение формы тока при коротком замыкании;
* расширенная полоса пропускания и линейность амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне позволяют контролировать качество электроэнергии с учётом до 100 гармоник;
* на порядок меньшая масса, позволяющая уменьшить размеры фундаментов и стальной арматуры, упростить инсталляцию;
* увеличенный срок эксплуатации;
* низкая восприимчивость к вибрации и повышенная сейсмостойкость;
* повышенная безопасность вследствие отсутствия масла и элегаза;
* вандалостойкость;
* стойкость к загрязнённости полимерного изолятора;
* простота утилизации.

Реальная экономия

При оценке экономического эффекта от использования оптических трансформаторов в ИИК на подстанциях 110 кВ мы пришли к выводу, что их установка целесообразна при коренной реконструкции имеющихся подстанций или построении новых. При этом комплексный измеритель параметров электрической энергии, встроенный в оптические трансформаторы, будет выдавать данные сразу для АИИС КУЭ, систем телемеханики и измерения параметров качества электроэнергии. Существенная экономия также достигается за счёт увеличения межповерочного интервала с 4 до 12 лет и исключения ряда поверочных процедур.

Об авторе: Дмитрий Каневский - ведущий инженер технического отдела ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕРВИС».