Оптические трансформаторы тока реферат
Обновлено: 19.05.2024
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.
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%.
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.
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.
- внешнюю, где чувствительный оптический элемент жестко закреплен на опорной изоляционной колонне с соединительным оптическим кабелем;
- внутреннюю, состоящую из блока электроники.
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.
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.
Согласно общей стратегии развития всей энергосистемы нашей страны довольно скоро все подстанции должны реконструировать под цифровой формат. А для этого требуется заменить старые (но при этом надежные) аналоговые силовые трансформаторы, трансформаторы тока и трансформаторы напряжения на их цифровой аналог. В этой статье я расскажу об оптических трансформаторах тока, о том по какому принципу они работают и какими сильными и слабыми сторонами они обладают.
Почему нужно менять аналоговое оборудование
На самом деле причина почему требуется замена оборудования, довольно банальна. Аналоговые ТТ и ТН довольно проблематично интегрировать в единую сеть мониторинга и контроля да и точность измерения уже не отвечает современным стандартам и требованиям. Поэтому замена аналоговых преобразователей на оптические это вопрос времени и финансирования.
Принцип работы и устройство оптических ТТ
Принцип работы оптических ТТ основан на использовании эффекта Фарадея, согласно которому при распространении линейно-поляризованного света, находящегося в магнитном поле наблюдается вращение плоскости поляризации света. И использовании эффекта Поккельса, согласно которому происходит изменение угла преломления и поляризации под непосредственным воздействием электрического поля.
Если сказать совсем просто, то в зависимости от угла отклонения луча электроника высчитывает протекающий ток с учетом всех существующих погрешностей.
В большинстве случаев оптические ТТ представляют собой оптическую колонну, внутри которой располагаются: оптический сенсор, который представляет из себя фиксированное количество витков оптоволокна. Они размещены перпендикулярно шине и по ней проходит первичный ток. При этом нет никакого физического контакта шины и сенсора. Далее волокна проходят через полимерный изолятор на оптический кросс (размещенный в нижней полости колонны). И все, во внешней колонне больше ничего нет.
Далее сигнал отправляется в цифровом виде по общей шине в блок электроники, который устанавливается на ОПУ.
При этом удаленность самого оптического ТТ от блока электроники не должно превышать расстояние в 1300 метров.
Преимущества и недостатки оптических ТТ
По сравнению с аналоговыми преобразователями оптические ТТ обладают следующими преимуществами:
1. Достаточно широкий канал измерений при высокой термической и электродинамической стойкости.
2. Высокая линейность.
3. Полное отсутствие таких явлений как: насыщение, гистерезис, остаточного и необратимого изменения параметров после перегрузки (Короткого замыкания).
4. Отсутствует резонанс.
5. Широчайший частотный диапазон, который позволяет выполнять анализ гармоник напряжения и тока в высоковольтной цепи.
6. Полностью исключено воздействие нагрузки вторичных цепей и потерь в них.
7. Повышенная устойчивость оптоволоконных каналов к внешним электромагнитным помехам.
8. Меньший вес и габарит по сравнению с аналоговыми образцами.
9. Так как в конструкции нет ни масла, ни газа, ни бумаги, то такие ТТ обладают повышенными показателями безопасности.
Дата сдачи реферата преподавателю _____ _____________ 2014г.
Проверил к.т.н., доцент Коломиец Н.В.
(Степень, звание, должность) (Ф.И.О.)
Дата проверки _____ __________ 2014г.
Введение…………………………………………………………………………. 3
Волоконно – оптическая связь…………………………………………………. 4
Устройства предназначенные для импульсных и постоянных напряжений….7
Конструкция и работа ОЭТТ и ОПТ…………………………………………….8
ОЭТТ с внутренней амплитудой модуляцией…………………………………..9
Структурные схемы ……………………………………………………………..13
Создание электромагнитных измерительных трансформаторов тока каскадного типа для электроустановок напряжением 750 и 1150 кВ приводит к непомерному увеличению габаритных размеров и стоимости аппаратов. Это привело к поиску иных средств для получения и передачи информации от первичных электрических цепей сверхвысокого и ультравысокого напряжения. Оказалось весьма перспективным использовать для передачи информации из зоны высокого потенциала на потенциал земли светового луча и оптического (световодного) канала связи. Полная электрическая развязка между первичной (высокого напряжения) и вторичной (низкого напряжения) электрическими цепями, функционально связанными только световым лучом, устраняют взаимное влияние цепей, обеспечивают высокую естественную изоляцию между ними и принципиально исключают необходимость в громоздких изоляционных конструкциях.
Применяемые электромагнитные трансформаторы тока из-за индуктивной связи между обмотками и потерь в магнитопроводе не могут полностью отвечать требованиям по быстродействию, надежности и возможности получения информации об измеренном параметре с высокой степенью точности, что особенно проявляется при измерениях тока в аварийных и переходных режимах при рабочем напряжении 330 кВ и выше. Решение этих задач возможно на основе использования новых методов, в частности, оптико-электронных, которые находят все большее распространение в энергетике в связи с развитием микропроцессорной техники и каналов связи в релейной защите, автоматике и управлении, а также современных систем учета потребления электроэнергии.
Цель работы: ознакомиться с оптоэлектронными трансформаторами тока, принципом их работы, а также методами их подключения и установки
Задачи:
1.Рассмотреть и разобраться с принципом работы оптоэлектроники;
2.Рассмотреть конструкцию трансформаторов тока;
3. Рассмотреть схему подключения ОЭТТ.
Волоконно-оптическая связь, использующая в качестве носителя информации свет, представляющий собой электромагнитные колебания, обладает замечательными характеристиками передачи. Ее специфическими особенностями являются: малый диаметр и масса волоконных световодов, большой объем передаваемой информации, быстродействие; низкие потери передачи; надежность в статических режимах работы; высокая точность измерений в переходных режимах работы; помехозащищенность по отношению к шумам, наведенным внешними электромагнитными полями; возможность многих способов модуляции; отсутствие необходимости в заземлении; малый допустимый радиус изгиба; устойчивость к повреждениям; богатые природные ресурсы исходного материала.
Передаваемая информация на приемном конце демодулируется в оптическом детекторе.
Физическую основу ОЭ-методов измерения составляют процессы преобразования измеряемого (входного) электрического сигнала в световой и светового сигнала в выходной электрический сигнал .
Воздействие измеряемого параметра на свойства светового луча (модуляцию) можно осуществлять двояко: способом внутренней модуляции и способом внешней модуляции излучения (рис. 6-31).
При внутренней модуляции излучения измеряемый параметр (напряжение или ток) масштабируется с помощью согласующих устройств и воздействует на источник излучения. Модулированный световой поток преобразуется в фотоприемнике.
Читайте также: