Волоконно-оптические преобразователи тока (ВОПТ) или оптический трансформатор тока представляет собой новый класс измерителей электрического тока, появившийся на рынке сравнительно недавно. Одним из первых создателей прибора этого типа является канадская фирма NXTPhase. С 2002 года приборы этой компании проходят испытания на действующих высоковольтных линиях электропередачи в разных странах. В России наилучшие практические результаты по созданию отечественных приборов данного типа получены в компании ЗАО «Профотек».
ВОПТ одинаково применим как для измерения переменного тока, так и для измерения постоянного тока.
Оптические трансформаторы тока свободны от многих недостатков, свойственных традиционным электромагнитным трансформаторам тока. Прежде всего это касается электро- и пожаробезопасности, экологичности, удобства монтажа и простоте обслуживания, отсутствия эффектов насыщения и гистерезиса при коротких замыканиях на линиях электропередачи и в электрооборудовании. Кроме того, ВОПТ позволяет измерять параметры электрического тока без дополнительного потребления энергии из линии, в то время как измерение тока с помощью традиционных трансформаторов приводит к отбору электрической энергии. Например, классические трансформаторы тока и напряжения за счет нагрузки вторичных цепей, создаваемой РЗ, ПА и т. д., потребляли из первичной сети от 500 до 1 800 ВА на фазу. Современные электронные трехфазные ТТ и ТН даже с учетом резервирования потребляют не более 200 ВА, многофукциональные терминалы РЗ — примерно столько же. Таким образом, в грубом приближении можно сказать, что технологические потери электроэнергии, вызванные работой систем учета, защиты и противоаварийной автоматики снизятся в 2–5 раз при переходе на цифровые технологии [1]. Отметим также, что ключевой особенностью ВОПТ является представление исходной информации об измеренном токе в цифровом виде. Этот факт позволяет без дополнительных преобразований собирать, обрабатывать, хранить и передавать информацию на любые расстояния в реальном времени.
Не менее важной особенностью волоконно-оптического преобразователя электрического тока является крайне высокая степень помехозащищенности его чувствительного элемента. Замкнутый (пространственно) волоконный контур, который и является чувствительным элементом ВОПТ, чувствует только электрический ток в шине, которая охвачена этим контуром. Магнитное поле электрического тока в соседних шинах, расположенных вне контура, никак не влияет на точность измерений. Кроме того, точность измерений тока никак не зависит от пространственного расположения токовой шины внутри волоконного контура и формы самого контура. ВОПТ одинаково применим как для измерения переменного тока, так и для измерения постоянного тока. Отмеченные особенности крайне важны 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. На настоящий момент пять волоконно-оптических преобразователей тока ЗАО «Профотек» уже в течение года используются на красноярском алюминиевом заводе для выполнения подобных функций.
Работа 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: φF=2VNI, 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 килоампер.
Рис. 1. Эффект Фарадея в волоконном световоде.Таким образом, задача измерения тока волоконно-оптическим методом сводится к прецизионному измерению относительного фазового сдвига между световыми волнами φF в волоконном чувствительном контуре, находящемся в продольном магнитном поле электрического тока. При этом для обеспечения требований по точности адекватной классу 0.2S погрешность измерения фазового сдвига должна находиться на уровне единиц микрорадиан при полосе 1 Гц. Измерение фазовых сдвигов с подобной точностью можно реализовать, используя подходы низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии. Два момента являются при этом ключевыми – использование источника низкокогерентного света и наличие взаимного волоконного интерферометра.
Низкокогерентный свет, т.е. свет с длиной когерентности, ограниченной только несколькими десятками длин световых волн, что много меньше базы интерферометра, предлагает ряд преимуществ, необходимых для прецизионного измерения фазового сдвига с помощью волоконного интерферометра. В частности, резко снижается погрешность измерений сдвига из-за релеевского рассеяния света в волокне, изменения показателя преломления волокна под действием интенсивности светового поля, фазовых набегов из-за связи волоконных мод на неоднородностях световода, паразитных отражений в области сварки, чувствительность к нежелательным внешним воздействиям на базу интерферометра.
Основным признаком взаимного волоконного интерферометра является наличие малой разности оптических путей интерферирующих волн. Идеальной взаимным интерферометром является интерферометр с нулевой разностью оптических путей для рабочих световых волн. Такому условию удовлетворяют кольцевые интерферометры Саньяка и линейные отражательные интерферометры на ортогональных поляризационных модах. Оба названных интерферометра можно использовать для измерения фарадеевского фазового сдвига, индуцируемого магнитным полем электрического тока. В волоконных преобразователях тока, производимых ЗАО «Профотек», используется отражательный волоконный интерферометр. Схема подобного интерферометра показана на рис. 2:
Рис. 2. Схема отражательного интерферометра.Оптическая схема выполнена в цельноволоконном варианте, а в качестве низкокогерентного источника излучения используется волоконный суперфлуоресцентный источник 1 на длине волны 1550 нм. Излучение проходит через ответвитель 2 и попадает в волоконный поляризатор 3. Поляризатор возбуждает на входе волоконного пьезомодулятора двулучепреломления 4 две линейно поляризованные световые волны равной интенсивности, но с ортогональными направлениями колебания вектора электрического поля (Ех и Еy моды). Модулятор представляет собой световод с большим линейным двулучепреломлением, намотанный на пьезоцилиндр. Пройдя модулятор, световые волны попадают в волоконную линию задержки 5, изготовленную из того же типа световода, что и модулятор. Далее линейно поляризованные моды с помощью четвертьволновой волоконной пластинки 6 конвертируются в ортогональные циркулярно поляризованные моды. Выход четвертьволновой пластинки соединен с волоконным контуром 7 на основе чувствительного hi-bi spun световода. Циркулярно поляризованные световые волны пробегают многовитковый контур в прямом направлении и, отражаясь от зеркала 8, распространяются в обратном направлении. При отражении лево-циркулярное состояние поляризации волны конвертируется в в поляризационное состояние с правым вращением и наоборот. Световые волны, распространяясь в обратном направлении, вновь проходят четвертьволновую пластинку, на выходе пластинки их поляризации конвертируются в линейные, но при этом волна, которая имела в прямом направлении х поляризацию, будет иметь при обратном распространении у поляризацию, и наоборот. В результате при отсутствии тока в пронизывающем чувствительный контур проводнике 9, оптический путь для обеих световых волн оказывается равным и волны на поляризатор 3 приходят с нулевой относительной фазой. Таким образом, имеем оптическую схему в которой компенсируются все взаимные фазовые сдвиги между световыми волнами, накопленные при их распространении в интерферометре. Единственным источником фазового сдвига φF в таком интерферометре является магнитное поле тока, протекающего через проводник 9.
Измерение фазового сдвига φF с помощью оптического интерферометра реализуется различными способами. Наиболее используемыми являются два подхода, хорошо отработанные в волоконно-оптической гироскопии: метод открытого контура и метод замкнутого контура. В первом варианте, который используется в приборах ЗАО «Профотек», информационный сигнал, сформированный в оптической схеме, далее обрабатывается цифровой электронной схемой и вычисленное значение тока поступает на выходные интерфейсы прибора. Для регистрации фазового сдвига φF при этом используется метод вспомогательной фазовой модуляции. Для этой цели с помощью модулятора двулучепреломления 4 (рис. 2) вводится вспомогательная гармоническая модуляция разности фаз ортогонально поляризованных волн. В результате во времени выходной сигнал интерферометра представляет собой сумму гармоник частоты модуляции. Причем в отсутствии протекающего тока (φF=0) в выходном сигнале присутствуют только четные гармоники частоты модуляции. Если же φF не равен нулю, в сигнале появляются также и нечетные гармоники, амплитуда которых пропорциональна величине измеряемого электрического тока и, соответственно, величине фарадеевского фазового сдвига φF. Для вычисления φF используются отношения амплитуд гармоник. При этом обеспечивается независимость вычисления φF от от вариаций параметров оптической схемы (мощность, амплитуда модуляции и т.д.) и, соответственно, высокая точность измерения тока. Во втором подходе, который можно назвать компенсационным или методом замкнутой обратной связи, на основе вычисленного фазового сдвига, обусловленного измеряемым током, формируется сигнал обратной связи, который индуцирует в оптической схеме точно такой же по величине компенсирующий фазовый сдвиг. Достоинством метода замкнутого контура является более высокая точность и более высокий верхний предел измеряемых токов. Недостатком является необходимость быстродействующего интегрально-оптического модулятора и существенно более высокая стоимость как оптической схемы так и электронной схемы обработки.
Современный волоконно-оптический преобразователь тока (ВОПТ) состоит из трех основных частей: чувствительного волоконного элемента, устанавливаемого на токовой шине, соединительной оптической линии и электронно-оптического блока.
Фазовый сдвиг между световыми волнами, индуцированный магнитным полем измеряемого тока переносится из чувствительного элемента по соединительной кабельной линии в электронно-оптический блок обработки. Электронно-оптический блок измеряет фазовый набег, преобразует его в величину тока, и выдает измеренное мгновенное значение тока на выходные интерфейсы ВОПТ.
Чувствительный элемент важнейший компонент высокоточного ВОПТ. Чувствительные элементы, производимые ЗАО «Профотек» имеют две базовые модификации: «жесткая петля» и «гибкая петля». Чувствительный элемент типа жесткой петли устанавливается на высоковольтной изоляционной колонне. Данный элемент предназначен для применения в высоковольтной энергетике (>, 10кВ) и его включение требует разрыва силовой линии. Чувствительный волоконный контур при этом размещается в жестком кожухе, залитом силиконовым компаундом. В изделиях ЗАО «Профотек» в одном кожухе размещается один волоконный контур для целей коммерческого учета и два независимых защитных контура. Такое решение значительно повышает надежность передачи данных устройствам защиты и автоматики. Высоковольтные чувствительные элементы на рабочие напряжения 110 кВ и 220 кВ прошли полный цикл испытаний на электрическую прочность. Испытания подтверждаются соответствующими протоколами ФГУП ВЭИ.
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 до 10 кВ. Применение данного типа чувствительного элемента не требуется разрывать электрическую линию. 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. На рис. 3 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. 3. Температурная характеристика токовой чувствительности световодов.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%. Применение температурной коррекции позволяет температурную погрешность измерений в диапазоне 100-120ºС снизить до уровня менее 0.1%.
На рис. 4 показаны результаты сличения эталонного классического трансформатора (класс точности 0.05%) с ВОПТ ЗАО «Профотек» при разных температурах чувствительного элемента. Чувствительный элемент в этих сличениях помещался в термокамеру. В качестве прибора сравнения использовался прибор КНТ-05. Графики приведены для токового номинала 1000 А при трех температурах в камере: -40 оС, +20 оС, +60 оС. По оси Х отложен процент от номинала тока, по оси Y токовая погрешность по отношению к показаниям эталона. Штриховая линия показывает границы погрешности, допустимые для трансформаторов тока класса точности 0.2S.
Электронно-оптический блок (ЭОБ) ЗАО «Профотек» представляет собой трехфазный блок обработки токового информационного сигнала. Блок имеет модульную конструкцию и размещается в 19ʺ стоечном корпусе высотой 3U.
Основные модули и элементы блока:
- три однофазных электронно-оптических измерителя тока (оптическая связь с чувствительными элементами обеспечивается посредством оптического кабеля, вводимого в 1U оптический кросс),
- интерфейсный модуль (обеспечивает обмен данными с измерителем напряжения),
- модуль МЭК 61850-9-2 (обеспечивает передачу данных на вторичные устройства по протоколу МЭК 61850-9-2LE,
- кросс-плата (обеспечивает питание и взаимодействие электронных модулей),
- источник оптического излучения,
- модуль питания DC-DC 5В и ±12В,
Каждый однофазный электронно-оптический измеритель тока состоит из оптического модуля и электронного модуля. Базовой частью электронного модуля является четыре канала синхронных цифровых детекторов, обеспечивающих предварительное измерение гармонических компонент оптического сигнала, на основе которых с помощью сигнального процессора вычисляется значение электрического тока. Уровень шумового тока, на выходе электронно-оптического модуля в пересчете на один волоконный виток чувствительного элемента в интервале ±3σ (полоса 1Гц) составляет ±2.5А. Полоса частот электронно-оптического измерителя тока позволяет измерять свыше 100 гармоник сети.
Модульная конструкция, используемая в приборах ЗАО «Профотек», допускает гибкое управление рабочими функциями электронно-оптического блока. Простая замена чувствительного элемента с оптическим модулем и компьютерная перенастройка конфигурационных параметров блока делают возможным использовать один и тот же ЭОБ как для целей цветной металлургии, где типовые токи имеют величину сотен кА, так и на объектах силовой энергетики, где измеряемые токи находятся в диапазоне 100 А 10000 А. Также один и тот же ЭОБ можно перенастроить как на выполнение измерений токов для целей релейной защиты и автоматики, так и для приборов учета электроэнергии.
Для контроля состояния ВОПТ в электронно-оптическом блоке предусмотрена самодиагностика. В реальном времени обеспечивается контроль всех основных узлов оптической и электронной частей ВОПТ. Обобщенный результат диагностики выводится на индикаторные лампочки на передней панели. Выявить конкретную область неисправности можно с помощью дисплея ВОПТ и при подключении внешнего компьютера.
Основным выходным интерфейсом ВОПТ ЗАО «Профотек» является цифровой выход передачи данных по протоколу МЭК 61850-9-2LE. Для оперативного контроля метрологических характеристик в приборе также предусмотрен выход на аналоговый измерительный усилитель 1 А.
Цифровой интерфейс МЭК 61850-9-2LE
Цифровой интерфейс ВОПТ выполнен в соответствии с требованиями серии стандартов МЭК 61850. Устройство оснащается дублированным сетевым интерфейсом (100Base-TX/FX). При этом стоит отметить следующие основные характеристики цифрового интерфейса:
- обеспечивается возможность формирования информационных потоков согласно протоколу МЭК 61850-9-2LE, передающих информацию об измеренном сигнале с частотами дискретизации 80 (для целей РЗА и учета электроэнергии) и 256 точек/период (для целей контроля качества электроэнергии),
- обеспечивается возможность интеграции устройства в систему АСУ ТП энергообъекта согласно протоколу MMS (МЭК 61850-8-1 [4]),
- обеспечивается синхронизация устройства с системой обеспечения единого времени либо посредством внешнего секундного импульса 1PPS, либо согласно протоколу PTP (IEEE 1588), либо согласно протоколу SNTP,
- реализована поддержка протокола резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol).
Для настройки цифрового интерфейса по условиям стандарта МЭК 61850 разработано специальное программное обеспечение, предоставляющее пользователю возможность производить настройку устройства используя интуитивно-понятный визуальный интерфейс, а также возможность работы с файлами на основе языка SCL – ICD и CID (МЭК 61850-6).
На сегодняшний день выполнена проверка совместимости обмена данными ВОПТ по протоколу МЭК 61850-9-2LE с вторичными устройствами разных производителей, как отечественных, так и зарубежных (НПП «ЭКРА», ИЦ «Бреслер», «Прософт-Системы», НПП «Микроника», Landis&Gyr и др.). Проверка показала полную функциональную совместимость ВОПТ ЗАО «Профотек» с испытуемым оборудованием.
Выводы
- Нечувствительность волоконно-оптических преобразователей тока к магнитным полям токовых шин, расположенных вне чувствительного контура, делает ВОПТ практически безальтернативными для применений на объектах с большими (100 кА и более) рабочими токами. Их основные достоинства – простой быстрый монтаж, высокая точность, минимальное сервисное обслуживание.
- ВОПТ ЗАО «Профотек» имеют метрологические характеристики и функциональные возможности, не уступающие аналогичным приборам ведущих мировых производителей.
- ВОПТ ЗАО «Профотек» успешно прошел испытания на функциональную совместимость с вторичным оборудованием, принимающим данные по протоколу МЭК 61850-9-2LE.
- Конструкции чувствительных элементов ЗАО «Профотек» позволяют использовать оптические преобразователи в различных отраслях народного хозяйства, включая электроэнергетику и цветную металлургию.
Список литературы
- 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, 2010.
Примечания
[1] По согласованию с компанией «Профотек» в этот фрагмент 8 мая 2019 года были внесены изменения в целях уточнения формулировки. Ранее он читался следующим образом: «Кроме того, ВОПТ позволяет измерять параметры электрического тока без дополнительного потребления энергии из линии, в то время как измерение тока с помощью традиционных трансформаторов приводит к потерям электрической энергии (по некоторым оценкам, суммарно до 5%)».
Рейтинг
статьи