| Курсовая работа "ДИСТАНЦИОННЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА" | |
| Автор: drug | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: | Комментирии: 0 | 04-01-2013 18:22 |
РЕФЕРАТ
Курсовая работа содержит 32 страницы, 16 рисунков, 1 таблицу, 20 источников.
ДИСТАНЦИОННЫЙ ДАТЧИК, ТОКОВЫЕ КЛЕЩИ , ДАТЧИК ХОЛЛА , ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ, ЭФФЕКТ ХОЛЛА, ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА, ПОСТОЯННАЯ ВЕРДЕ.
Контроль протекающего тока является важнейшей задачей во многих областях промышленности, энергетики, на научных и транспортных предприятиях. Для каждой задачи требования, предъявляемые к датчикам, могут быть различными, это и объясняет применение различного оборудования.
В данной работе были рассмотрены современные типы датчиков исполь-зуемые в настоящее время для измерения больших токов. Общим их недостатком является наличие эффекта насыщения, ограничиваю¬щего сверху измеряемые токи, что требует существенного изменения конструкции датчика при переходе к измерению больших токов. Рассмотрен новый тип датчиков тока применяемых в высоковольтных линиях электропередач — волоконно-оптические датчики, объединяющий многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время многих присущих им недостатков. Проведен анализ характеристик волоконно-оптических датчиков, и выбран датчик FOKS фирмы АББ.
СОДЕРЖАНИЕ
С.
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 5
2 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЫБОР ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 31
ПРИЛОЖЕНИЕ 33
ВВЕДЕНИЕ
Электроэнергетика — одна из самых консервативных областей, сейчас активно растет и обновляется. Оборудование, изобретенное и использующееся с середины XX в., ныне заменяется на совре¬менное. Примером новейшего оборудования для измерения тока является волоконно-оптический датчик тока.
Более ста лет в электроэнергетике и промышленности при высоковольтных измерениях переменных токов используют электромагнитные измерительные трансформаторы тока, работа которых основана на явлении и законе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем еще в 1831 г. Другое явление, открытое им же в 1845 г., – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле. Это явление, названное в честь автора эффектом Фарадея, стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений и ждало своего крупномасштабного технического применения более 150 лет.
В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились в ВЭИ им. В.И. Ленина еще в начале 70-х годов прошлого века. В те же годы в мире появилось и первое промышленное оптическое волокно, которое пытались использовать не только для дистанционной передачи оптических сигналов, но, в частности, и в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ), использующих эффект Фарадея. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики"
(optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики —
очень молодая область техники.
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР
На современном этапе развития электроэнергетики при повсеместном использовании электрооборудования и электроприборов наиболее актуальным является достоверное измерение силы тока для обеспечения высокой надежности и безопасности промышленных систем и сетей. Для осуществления мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки применяются различные типы датчиков тока [1].
Достоверное измерение токов в энергетическом оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надежности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Специализированные датчики также применяются для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки.
Современные датчики тока подразделяются на следующие типы:
1 резистивные датчики (токовые шунты);
2 датчики тока на эффекте Холла;
3 трансформаторы тока;
4 волоконно-оптические датчики тока на эффекте Фарадея;
5 пояс Роговского;
6 токовые клещи.
Резистивные датчики тока – самые дешёвые, линейные и точные и обладают преимуществами, в возможностью измерять как переменный, так и постоянный токи. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термоЭДС при больших токах, снижающие их точность измерения. Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения.
Рисунок 1 – Возникновение ЭДС Холла, где:
В – индукция магнитного поля; Vн – напряжение Холла; Ic – ток сети
Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах проводника или полупроводника помещенного перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рисунок 1). Для меди напряжение Холла составляет мкВ/кГс (с учетом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и «естественная» гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения ( в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания. Повышение точности уставки датчиков тока, увеличение надежности на-стройки, увеличение безопасности персонала решается с помощью изобретения [5]. Технический результат изобретения заключается в повышении точности настраиваемой уставки датчика тока, уменьшении массы используемого оборудования при выполнении заявленного способа, увеличении надежности за счет исключения человеческого фактора при настройке, а также в полной автоматизации заявленного способа настройки датчика тока. Способ настройки датчика тока на основе датчика Холла включает пропускание электрического тока через датчик тока однократно в виде импульса с определенным фронтом и регулировку электронным устройством элемента датчика тока, отвечающего за величину уставки, путем запоминания показаний данного датчика тока при срабатывании образцового датчика тока вследствие достижения током желаемой величины уставки.
Рисунок 2 – Холловский датчик тока разомкнутого типа, где:
- ток в первичной цепи; - выходное напряжение усилителя
На рисунке 2 и 3 представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла – разомкнутого и замкнутого типов соответственно. Датчики замкнутого типа ( с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональна числу витков компенсирующей обмотки. Однако по стоимости они приближаются к трансформаторам тока
Датчики на основе трансформаторов тока обычно работают на сетевой частоте и естественно не могут использоваться в цепях постоянного тока. Их стоимость превышает стоимость приборов на основе эффекта Холла. К преимуществам трансформаторных датчиков следует отнести отсутствие вносимых потерь и напряжения смещения при нулевом токе, а также гальваническую развязку с высоким пробивным напряжением. Кроме того, они не нуждаются в дополнительном источнике питания. Недостатком трансформаторов тока является насыщение сердечника при наличии в первичной обмотке постоянной составляющей что приводит к необратимой деградации точности преобразования. Для решения этой проблемы при изготовлении сердечника используют материалы с высокой магнитной проницаемостью, что, однако, увеличивает фазовый сдвиг в цепи измерения, уменьшает динамический диапазон и термостабильность. Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты.
Рисунок 3 – Холловский датчик тока замкнутого типа, где:
- ток в первичной цепи; - ток во вторичной обмотке; - выходное напряжение усилителя
В изобретении [6] предлагается устройство способно заменить широко используемые в настоящее время для этой цели измерительные трансформаторы тока. шунта. Постановленная задача решается тем, что в датчик тока, содержащий шунт, который через токовые вход и выход включен последовательно в цепь измеряемого тока, первый и второй резисторы, операционный усилитель, введен проволочный резистор, один из выводов которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и одновременно через первый резистор с его выходом, являющимся выходом датчика тока, неинвертирующий вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной, второй вывод проволочного резистора подключен к токовому входу шунта, а токовый выход шунта соединен с общей шиной, при этом шунт датчика тока выполнен в виде n изолированных между собой, расположенных параллельно друг другу пластин П-образной формы одинаковых размеров, причем входы и выходы всех пластин, являющиеся соответственно токовыми входом и выходом шунта, соединены между собой таким образом, чтобы направления токов, протекающих в соседних пластинах, были взаимно противоположны, проволочный резистор выполнен в виде обмотки П-образных пластин проводом в плоскости, ортогональной к направлению входного (выходного) тока П-образных пластин, а материал проволочного резистора и П-образных пластин имеет одинаковый температурный коэффициент сопротивления.
Датчик тока на основе пояса Роговского в основном применяется для измерения импульсных токов большой величины, но он обладает невысокой точностью и при его использовании появляется необходимость в интегрирующем устройстве. Принцип работы этих датчиков основан на измерении напряжения на выводах прямоугольной проводящей рамки, размещенной рядом с проводником. Основной проблемой датчиков на базе катушки Рогосовского является обеспечение надежной защиты от внешних магнитных полей, особенно низкочастотных (экранирование здесь неэффективно), которые могут существенно увеличить погрешность измерения. По сравнению с трансформаторами тока эти датчики компактнее, легче, дешевле, обеспечивают весьма широкую полосу частот и, поскольку сердечник отсутсвует, не насыщаются при больших токах.
Для одновременного измерения напряжения и тока в высоковольтных коаксиальных формирующих и передающих линиях предлагается изобретение сочетающее датчик тока и напряжения [7].. В датчике тока (индуктивном поясе Роговского), выполненном в виде тороидальной катушки, намотанной на изоляционном каркасе, размещенной в кольцевой проточке на одном из рабочих электродов высоковольтной установки или линии передачи, прикрытой металлической крышкой и соединенной с рабочим электродом одним своим выводом напрямую, а другим выводом – через резистивную нагрузку, новым является то, что металлическая крышка изолирована от рабочего электрода и соединена с рабочим электродом через емкостную нагрузку. Изобретение относится к электротехнике и предназначено для одновременного измерения тока и напряжения в высоковольтных коаксиальных формирующих и передающих линиях.
Токовые клещи за счет малой точности измерения широкого применения в промышленности не получили.
Недостатков предыдущих датчиков лишены волоконно-оптические датчики тока, работа ко¬торых основана на эффекте Фарадея. Неослабевающий интерес к которым, связан с высокими потенциальными возможностями этих устройств. К ним относятся:
- Широкий динамический диапазон из¬мерений (токов до сотен кА, напря-жения до сотен кВ);
- Высокая линейность;
- Широкий частотный диапазон, позволя¬ющий анализировать гармоники напря¬жения и тока непосредственно в высоко¬вольтной цепи;
- Отсутствие влияния нагрузки вторичных цепей и потерь в них;
- Высокая устойчивость оптоволоконных информационных каналов к внешним электромагнитным помехам;
- Меньшие массо-габаритные показатели;
- Первичный оптический преобразователь может быть удален от блока электроники на 450-900 м и более.
Но для использования этих датчиков в системах релейной защиты и автоматики необходимы специальные терминалы, что ведет к дополнительному увеличению их стоимости.
Применение волоконно-оптических датчиков тока осо¬бенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сетях, что объ¬ясняется тем, что наиболее сложные вопросы обеспечения изоляции, особенно для высоко¬вольтных приложений, решаются автомати¬чески за счет физической природы преобразо¬вания, так как элементы оптики оптического волокна изначально являются диэлектриками. Соответственно, легко обеспечивается гальва¬ническая развязка измерительной и высоко¬вольтной цепи, повышается безопасность при эксплуатации данных приборов.
Работа оптического датчика тока основана на эффекте Фарадея, заключающемся в из¬менении поляризации светового потока под воздействием магнитного поля. Основная особенность эффекта Фарадея заключается в его невзаимности, т.е. в нарушении принципа обратимости светового луча: его движение «назад» дает такой же угол поворота и в ту же сторону, что и движение «вперед». Изменение же направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения плоскости поляризации на противоположное. Феноменологическое объяснение этого явления дает возникающая в среде под действием магнитного поля циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Как следствие, при распространении в среде вдоль магнитного поля пучка линейно поляризованного монохроматического света фазовые скорости (скорости пространственного перемещения фазы волны) его право- и левоциркулярной поляризованных составляющих различны, за один и тот же интервал времени они проходят в среде различные пути, что и приводит к вращению плоскости поляризации результирующего пучка света. В эффекте Фарадея магнитное поле влияет на поляризацию света лишь косвенно, изменяя оптические характеристики среды прохождения света (в вакууме магнитное поля не оказывает на свет влияния). Конкретная реализация датчиков, использующих этот эффект, может отличаться и патентуется фирмами-производителями.
Упрощенная структура электронно-оптической схемы датчика тока (рисунок 4) со¬держит источник оптического сигнала [2]. Этот сигнал с помощью разветвителя преобразу¬ется в два право и левополяризованных сиг-нала с противоположными направлениями вращения, которые поступают в оптическую петлю, выполненную из N витков оптово¬локна. Магнитное поле, создаваемое током I, протекающим по проводу, в соответствии с эффектом Фарадея замедляет один сиг¬нал и ускоряет другой. Оба сигнала доходят до следующего кругового поляризатора, ко¬торый преобразует их в линейно поляризо¬ванные световые потоки с плоскостями по¬ляризации, сдвинутыми на угол:
, (1)
где V — постоянная Верде.
Рисунок 4 – Структурная схема волоконно-оптического датчика тока с
электронно-оптическим блоком, где: 1 – оптическая петля; 2 – проводник с током; 3 – электронно-оптический блок; 4, 5 – поляризаторы; 6 – разветвитель; 7 – фотоприемник; 8 – источник оптического сигнала; 9 – цифровой блок.
Пришедшие световые потоки преобразуют¬ся фотоприемником в два напряжения пере¬менного тока с частотой:
C/ , (2)
где: С - ско¬рость света в оптоволокне,
X - длина волны оптического излучения.
Полученные элек¬трические сигналы поступают на ввод аналого-цифрового преобразователя электронного блока, преобразующего угол в цифровую в с дальнейшей обработкой в DSP-процессоре. Цифровой блок оснащен высокоуровневыми и низкоуровневыми аналоговыми интерфейса¬ми и дополнительным цифровым интерфей¬сом, поддерживающим стандарт IEC 61850, что открыло пути к созданию полностью цифро¬вой системы защиты и измерения.
Разработкой оптических датчиков тока занимается целый ряд компа¬ний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI).
Интерес к разработкам, исследованиям и вне¬дрению этих датчиков проявляется и в России. Впервые в нашей стране оптические преобра¬зователи были продемонстрированы компа¬нией «ПроЛайн» [3], являющейся эксклюзив¬ным представителем компании NxtPhaseT&D Corporation, на выставке «Электрические сети России» в ноябре 2006 года. Уже в 2007 г. установлены и введены в эксплуатацию ком¬бинированные оптические системы NXVCT-220 на подстанции 220 кВ ОАО «РЖД». В апреле 2008 г. с применением оптического трансфор¬матора NXCT-F3 в Сургуте создан опытный полигон для подтверждения его эксплутационных и метрологических характеристик. В дека¬бре 2008 г. ОАО «ТГК1» с применением оптиче¬ского трансформатора NXCT-F3 введена точка коммерче-ского учета.
В 2007 г. в России создана компания ООО «Уникальные волоконные приборы» [4], зани¬мающаяся разработкой и изготовлением отече¬ственных оптоволоконных трансформаторов тока, которые, судя по публикуе¬мым техническим характеристикам, не уступа¬ют лучшим зарубежным образцам. Так ими были запатентованы чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика электрического тока и магнитного поля, выполненный в виде уложенного по окружности отрезка кварцевого волоконного световода с внутренним линейным двойным лучепреломлением, и имеющим структуру с периодически повторяющимися вдоль оптического волокна оптическими параметрами, отличающийся тем, что указанная периодическая структура выполнена в виде спиральной структуры внутреннего линейного двойного лучепреломления [6], волоконно-оптический датчик тока, состоящий из электронного и оптического модулей, в котором оптический модуль содержит источник излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фотодетектором, к выходу ответвителя присоединены расположенные последовательно друг за другом поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур, изготовленный из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением и связанный с отражателем излучения, а электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, вход которого связан с выходом фотодетектора, и генератор сигнала, связанный с модулятором, отличающийся тем, что модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида, связанного с генератором сигнала, волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии, первый вход которой соединен с выходом волоконного контура модулятора, второй - с отражателем излучения, первый выход двойной бифилярной волоконной линии соединен со входом измерительного чувствительного волоконного контура, выход которого соединен со вторым выходом двойной бифилярной волоконной линии, при этом волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением [7], также волоконно-оптический датчик тока, отличающийся тем, что магниточувствительное волокно с встроенным линейным двойным лучепреломлением имеет длину поляризационных биений встроенного линейного двулучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения составляет не менее 15 нм [8].
Волоконно-оптический датчик электрического тока разработки москов-ского государственного института электронной техники [10], содержит одномодовое оптическое волокно в качестве чувствительного элемента, сенсорную головку, компенсирующую катушку, многофункциональный интегрально-оптический элемент и фотодиод, отличающийся тем, что используют широкополосный суперлюминесцентный диод в качестве источника света, два волоконных деполяризатора Лио, каждый из которых выполнен из двух отрезков анизотропного волокна разной длины с соотношением длин отрезков 1:2 и минимальной длиной короткого отрезка 1,8-2,3 м, сенсорная головка выполнена намоткой контура из изотропного волокна с длинной волокна в контуре 10-90 м, а компенсирующая катушка выполнена намоткой контура из изотропного волокна с длиной волокна в контуре 400-480 м, выбранной так, чтобы сформировать, вместе с остальными волоконными элементами, интерферометр Саньяка для точного детек-тирования малых фазовых сдвигов, индуцируемых в сенсорной головке вблизи токопровода.
Рисунок 5 - Датчик тока фирмы PowerSence
2 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЫБОР ВОЛОКОННО- -ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
На основе проведенного литературно-патентного анализа лучшими показателями для измерений тока в высоковольтных линиях электропередач обладают волоконно-оптические датчики тока. Рассмотрим несколько подробнее некото¬рые характерные особенности оптических датчиков каждой компании и, соответствен¬но, области их применения.
Обобщенные сравнительные характеристики волоконно-оптических датчиков тока различ¬ных компаний приведены в таблице 1.
Датчики компании NxtPhase T&D Corpora¬tion [5] достаточно хорошо известны отече¬ственным специалистам в области автоматизации систем контроля и защиты электриче¬ских сетей высокого напряжения. Вместе с тем следует сказать, что огромные возможности открывают оптические датчики для средневольтовых и низковольтных цепей. Малые габариты и вес этих датчиков позво¬ляют разместить их на опоре линии электропередачи или подвесить к проводам.
Компания NxtPhase T&D Corporation вы¬пускает:
- высоковольтные измерительные оптиче¬ские преобразователи тока NXCT для из¬мерения тока до 4 кА с классом точности 0,5 в сетях 60-750 кВ;
- высоковольтные измерительные оптиче¬ские преобразователи напряже-ния NXVT для измерения напряжения в диапа¬зоне 138-500 кВ с классом точности 0,25;
- высоковольтные измерительные оптиче¬ские преобразователи тока и напряжения, совмещенные NXVCT для измерения тока в диапазоне до 4 кА и напряжения до 500 кВ с классом точности 0,25;
- измерительные оптические преобразовате¬ли, трансформируемые NXCT-F3, предна¬значенные для измерения токов до 100 кА в цепях переменного тока и до 600 кА в це¬пях постоянного тока, что дает возмож¬ность их использования в металлургиче¬ской и химической промышленности.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики оптоволоконных датчиков тока различных компаний
Характеристика NxtPhase PowerSense OptiSense FieldMetrics ABB Airak OOO«УВП»
Номин. токи, кА 0,1-100 5-20 0,003-1 0,6-20 1-3,5 0,003-30 1-450
Класс точности, % 0,25 2 0,2 0,2 0,2 1 0,25
Рабочая частота, Гц 50/60 50/60 - 50/60 50/60 50/60 0-6000
Частотная полоса, Гц 0,01-6000 - - до 5000 0-10 000 5-5000 0-9000
Номин. напряже-ние, кВ 69-765 36 15, 20, 35 11-36 72,5-800 3,6-36 110-750
Масса, кг 49-95 - 9 5-15 50-186 0,028-0,57 от 40
Диапазон рабочих температур, °С -50…+60 -40…+50 -40…+75 -50…+85 -5...+40 -40…+85 -50…+60
Рисунок 6 – Комбинированный модуль MetPod
Компания FieldMetrics, Inc. [18] основана в 2001 г. и специализируется на разработке и производстве трех линеек оптоволоконных датчиков для средневольтовых (11-36 кВ) энергетических сетей переменного тока: MetPod, Fiber MetPod, MetPod Lite класса 0,2.
В линейку MetPod входят комбинирован¬ные датчики тока и напряжения (рисунок 6), которые могут крепиться непосредственно на опоре. Электронный блок с автономным блоком питания выполнен в единой кон-струкции с датчиками. Связь с пунктом сбо¬ра и обработки информации осуществляется по радиоканалу мощностью до 1 Вт.
Fiber MetPod предусматривает интегри¬рованное исполнение датчика тока, датчика напряжения и электронного преобразова¬теля оптических сигналов в цифровой код, размещаемых в легком прочном корпу¬се. Непосредственно на корпусе монтируется радиопередатчик, обеспечивающий беспро¬водную связь с диспетчерским пунктом.
MetPod Lite — датчик тока класса 0,3, об¬легченной конструкции, крепится на изо¬лированной штанге, подключаемой между активным проводом и нейтралью (рисунок 7). Датчики имеют более низкую стоимость по сравнению с MetPod.
Рисунок 7 – Датчик тока MetPod Lite
Помимо оборудования для контроля па¬раметров средневольтовых сетей, фирма активно разрабатывает и внедряет датчики класса 0,3 для высоковольтных приложений. В основе этих датчиков лежит модульный принцип построения, состоящий в использо¬вании опорных модулей на 15 кВ, из которых можно набирать датчики для сетей до 750 кВ.
Компания PowerSense A/S [4], основанная в 2006 году, предложила потребителям ли¬нейку энергоизмерительного оборудования Discos, в которую вошли оптоволоконные датчики тока (рисунок 8а), напряжения (рисунок 8б) и комбинированные датчики тока/напряже¬ния (рисунок 8в), предназначенные для работы в сетях до 36 кВ. Диапазон измерения то¬ков — от 5 А до 20 кА с погрешностью 2%, погрешность измерения напряжения — 1%. Сами датчики крепятся на штанге и оптово¬локном соединяются с оптическим модулем, размещаемым на опоре.
Компания Optisense Network, основанная в 2001 г., специализируется на производстве высокоточных компактных датчиков тока и напряжения, исполь-зуемых в сетях с на¬пряжением до 35 кВ.
а) б) в)
Рисунок 8 – Датчики фирмы PowerSense: а) датчик тока;
б) датчик напряжения; в) комбинированные датчики тока и напряжения.
Рисунок 9 – Оптоволоконный датчик тока фирмы Airak, Inc. для
воздушных линий
Компания Airak, Inc. [19] выпускает оптово¬локонные датчики, отличаю-щиеся наимень¬шими массо-габаритными показателями.
Оптоволоконные датчики тока этой фирмы лучшими показателями. Токовый датчик для воз¬душных линий (рисунок 9) позволяет измерять токи в диапазоне от 3 А до 1 кА (возможны версии до 15 кА) с погрешностью, не превы¬шающей 1%. Он работает в диапазоне темпе¬ратур -40… +85 °С. Вес этих датчиков не пре¬вышает 570 г, что позволяет легко смонти¬ровать их прямо на проводах, не прибегая к разъединению линии (рисунок 10).
Рисунок 10 – Размещение датчиков фирмы Airak, Inc. на
воздушной линии электропередачи
Компактность и малый вес последнего датчика привлекает внимание раз-работчи¬ков систем контроля и управления энерге¬тическими системами на наземном, морском и воздушном транспорте. В США в рамках программы по модернизации морского фло¬та разрабатываются так называемые «полно¬стью электрические» (all-electric) корабли [11]. Первое такое судно должно быть сдано в экс¬плуатацию в 2011 г. Для обеспечения мони¬торинга и управления всеми системами ко¬рабля требуется около 10 000 электрических датчиков. Такую задачу невозможно решить с использованием традиционных датчи¬ков, включая датчики Холла. В связи с этим на фирме Airak, Inc. специально для этих це¬лей были разработаны сверхминиатюрные оптоволоконные датчики тока и напряжения с погрешностью измерения 1%.
Представляет интерес датчик, предназна¬ченный для измерения тока и напряженности магнитного поля при применении в стацио¬нарном оборудовании (рисунок 11). Датчик имеет вес 28 г и устанавливается на шину 4" ". Токи измеряются в диапазоне от 3 А до 3 кА с погрешностью не более 1%.
Рисунок 11 – Датчик тока и напряженности магнитного поля для
применения его в стационарном оборудовании
Компания ABB, Inc. [20] известна, прежде всего, по токовым датчикам, используемым в цепях постоянного тока, основанным на эф¬фекте Холла [15]. Преобразователи такого типа хотя и надежны, но очень сложны, а их вес может достигать 2000 кг. При их установ¬ке также необходимы сложные процедуры настройки для исключения влияния асим¬метричного поля и перекрестных наводок с расположенных рядом шин. Для решения этих и других проблем компания ABB разра¬ботала новый оптоволоконный датчик тока (Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рисунок 12) [14]. По сравнению с преобразователем постоянного тока на эффекте Холла, датчики FOCS от АББ не только обладают лучшими характеристиками и большей универсальностью, но при этом имеют меньшие габариты и вес. Помимо этого, установ¬ка и ввод в эксплуатацию упрощаются до предела. В частности, сложные картины магнитных полей от сильных токов соседних шин не оказывают влияния на датчик. Это обеспечивает дополни¬тельную свободу выбора места расположения датчика.
Датчики этого типа идеально удов¬летворяют требованиям, предъявляемым заказчи¬ками к таким изделиям:
- продолжительность установки и вво¬да в эксплуатацию измеряется часа-ми, а не днями;
- резко снижается сложность системы;
- устройства не подвержены воздействию маг¬нитных полей сложных конфигураций и пе¬рекрестным наводкам от соседних шин;
- повышается точность (до 10-кратного уменьшения погрешности);
Рисунок 12 – Датчик тока FOKS фирмы ABB
- широкая полоса пропускания обеспечива¬ет быструю реакцию на пульсации и неста¬ционарные токи;
- датчики обеспечивают измерение посто¬янных токов как в одном, так и в двух на¬правлениях.
Основными компонентами датчика FOCS являются оптоэлектронный мо-дуль и чувствительное оптоволокно с одним выходом, идущее вокруг проводника тока.
В состав оптоэлектронного модуля входит по¬лупроводниковый источник света, цепь детек¬тирования и цифровой сигнальный процессор. Две световые волны с ортогональной линейной поляризацией от источника света посредством промежуточного световода подаются на изме¬рительное волокно. Оптоволоконный фазозадерживающий модуль преобразует линейные волны в волны с левой и правой круговой поля¬ризацией на входе в измерительный световод.
В магнитном поле тока эти световые волны проходят по измерительному световоду с разной скоростью, что приводит, в свою очередь, к раз¬ности оптического пути или, что эквивалентно, разности оптических фаз Δϕ. Световые волны отражаются в конце световода и возвращаются по своим оптическим путям в оптоэлектронный модуль. Две полученных световых волны затем интерферируют в цепи детектирования.
Сигнальный процессор преобразует разность оптических фаз в цифровой сигнал. Суммарная разность фаз пропорциональна линейному интегралу магнитного поля по за¬мкнутому контуру, описанному измерительным волокном, и является, таким образом, непосредс¬твенной мерой электрического тока. Сигнал не зависит от конкретной картины распределения магнитного поля при условии, что количество витков измерительного волокна является целым числом. (При больших токах, характерных для электрохимической промышленности, одного витка оптоволокна уже достаточно для измерения тока). Система оказывается нечувствительна и к перекрестным наводкам от токов, проходящих вне витка. Ни диаметр, ни форма витка оптово¬локна не имеют значения.
Разность времен прохождения в двух направлени¬ях для световых волн с левой и правой круговой поляризацией составляет от 10-21 до 10-15 с в зависимости от силы тока. Непосредственное измерение таких величин нецелесообразно, по¬этому с высокой точностью измеряется разность оптических путей или фаз, которая является долей длины волны света. Для этого волны подвергают интерференции, т.е. налагают друг на друга. В зависимости от разности фаз волн, последние интерферируют с усилением или ос¬лаблением. Наименьшая разность пути, которую удается измерить, в 100 раз меньше диаметра атома водорода и соответствует току 0,25 А (при измерении в течение одной секунды на одном витке). В настоящее время максимальный изме¬ряемый ток, при котором разность путей равна целой длине волны, составляет ±600 кА (±500 кА + 20% запаса).
Одним из преимуществ использования измери¬тельного витка в режиме с отражением является то, что выходной сигнал датчика не зависит от механиче-ских воздействий и вибраций. В режиме с отражением в конце витка световые волны меняют состояние поляризации на обратное. В результате противоположные сдвиги фаз, вы¬званные вибрациями, взаимно компенсируются, а совпадающие по направлению магнитооптичес¬кие сдвиги по пути волн удваиваются.
Рисунок 13 - Сегмент корпуса головки датчика
Для обеспечения максимальной точности оптово¬локонного датчика тока крайне важна укладка из¬мерительного волокна без механических напря¬жений. Любое напряжение нарушит ход световых волн с круговой поляризацией и, соответственно, измеренную разность фаз. Недопустимо даже воз¬никновение напряжений, связанных с тепловым сокращением защитного покрытия оптоволокна при низкой температуре.
В связи с этим в АББ была разработана особая технология укладки измерительного волокна в виде гибкой «измерительной ленты» (рисунок 13). Этот метод обеспечивает превосходную точность (пог¬решность в пределах 0,1%) в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C, а гибкость ленты упрощает транспортировку и установку. Температурная зави¬симость эффекта Фарадея (в диапазоне 100 °C от¬клонение 0,7%) компенсируется в самом приборе противоположным вкладом фазозадерживающего модуля.
Рисунок 14 - Модульный корпус головки датчика
Еще одним преимуществом является то, что калибровка датчика, выпол-ненная на заводе, не нарушается при транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах, за счет чего на месте после монтажа датчика нет необходимости в какой-либо повторной калибровке.
«Измерительная лента» с измерительным волок¬ном располагается в мо-дульном корпусе головки датчика, состоящей из отдельных сегментов. Сегменты изготовлены из эпоксидной смолы, армированной волокнистым материалом. Такой корпус можно с легкостью адаптировать под ши¬ны различного сечения, меняя длину прямых сег¬ментов (рисунок 14), а установку датчика можно вести без размыкания токоведущих шин (рисунок 15).
Рисунок 15 – Монтаж датчика на токоведущих шинах
Встроенный цифровой сигнальный процессор обеспечивает высокую точность и превосходную долговременную стабильность показаний. Кроме того, схема измерения с замкнутым контуром компенсирует сдвиг оптической фазы, вызван¬ный током, в результате чего обеспечивается идеальная линейность во всем динамическом диапазоне.
Оптоэлектронный модуль встроен в контроллер для управления силовыми установками АББ марки AC 800PEC (рисунок 16а), который может быть установ¬лен на расстоянии до 70 м от головки датчика. В состав контроллера силового преобразова¬теля AC 800 PEC входит оптоэлектронный модуль датчика. Этот модуль, построенный по технологии изготовления оптических гироскопов, измеряет магнитооптический сдвиг фазы световой волны. Встроенный оптический фазовый модулятор на ниобате лития (рисунок 12б) – основной компонент детектирующей цепи.атчик может поставляться как в составе силовых преобразователей от АББ, так и в качестве отде¬льного устройства. С выхода оптоэлектронного модуля через синхронный интерфейс передается цифровой сигнал с разрешением 24 бит. Он поступает на контроллер AC 800 PEC по высокос¬коростному каналу PowerLINK от АББ.
а) б)
Рисунок 16 - Контроллер силового преобразователя AC 800 PEC
Для автономных систем цифровой сигнал также выдается по протоколу промышленной шины PROFIBUS DP SLAVE. Более того, предусмотрен вы-ход сигналов 0(4)–20 мА и 0(0,2) –1 В. По запросу заказчика возможна реализация цифровой обра¬ботки сигналов, например, регистрации измене¬ний параметров во времени или гармонического анализа. Работоспособность устройства контро¬лируется встроенными блоками самодиагностики, передающими данные на главный контроллер.
В сравнении с другими волоконно-оптическими датчиками, оптово-локонный датчик FOKS обладает рядом преимуществ:
- установка датчика производится значи¬тельно проще и быстрее;
- нет необходимости в центровке измери¬тельной головки в магнитном поле, благо¬даря этому получается значительная «свобода» при установке датчика.
- ограничения по месту расположения изме¬рительных головок несущественны. Легкость монтажа датчика позволяет очень быстро осу-ществить на предприятии замену действующей измерительной системы;
- в отличие от традиционных преобразователей тока, ошибки, связанные с асимметричным распределением поля и магнитными помехами, компенсируются благодаря самому принципу действия прибора;
- головка датчика была существенно упроще¬на, что в свою очередь, снижает вероятность отказов;
- датчик может работать с двунаправленны¬ми магнитными полями. Местное обращение вектора магнитного поля, вызванное силь¬ными токами, протекающими по соседним проводникам, не приводит к погрешностям в измерениях;
- широкая полоса пропускания (частота диск¬ретизации 4 кГц) позволяет восстанавливать переменные составляющие тока, такие как пульсации и кратковременные нестационар¬ные токи, а также обеспечивает очень малое время реагирования системы управления ТП и делает возможным проведение гармони¬ческого анализа;
- головка датчика полностью состоит из диэлектрических материалов, а значит, совершенно безопасна. Электронные схемы обработки сигналов полностью гальванически развязаны от шин;
- потребление энергии оптическим датчиком пренебрежимо мало по сравнению с обыч¬ными датчиками, которые потребляют до нескольких киловатт.
Датчик позволяет измерять токи от 0 до ±500 кА с погрешностью 0,1% в диа¬пазоне частот от 0 до 4 кГц. Вес одной сек¬ции — 5 кг.
На основании проведенного сравнительного анализа лучшими характеристиками обладает датчик FOKS фирмы АББ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассмотрены современные типы датчиков исполь-зуемые в настоящее время для измерения больших токов. Общим их недостатком является наличие эффекта насыщения, ограничиваю¬щего сверху измеряемые токи, что требует существенного изменения конструкции датчика при переходе к измерению больших токов. Так, для измерения в высоковольтных линиях электропередач наиболее лучшими показателями обладают волоконно-оптические датчики тока.
Рассмотрен новый тип датчиков тока применяемых в высоковольтных линиях электропередач — волоконно-оптические датчики, объединяющий многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время многих присущих им недостатков. Проведен сравнительный анализ характеристик волоконно-оптических датчиков, по результатам которого выбран датчик FOKS фирмы АББ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Клименко К. А. Сравнительный анализ современных датчиков тока / К. А. Клименко // Молодой ученый. — 2011. — №8. Т.1. — С. 66-68.
2 2 Данилов А.В. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2010. № 8.
3 Власов М., Сердцев А.И. Оптические трансформа¬торы: первый опыт // Энергоэксперт. 2007. № 1.
4 Афанасьев В. В. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев и [др.], Н. М. Адоньев, В. М. Кибель, И. М. Сирота, Б. С. Стогний. – Л. : Энергоатомиздат, 1989. – 416 с.
5 Пат. 2008113099/28 Россия, МПК G01R15/20 Способ настройки датчика тока /Мурадов Э.Ш., Морозов А.Г.; ООО "Технос"; №2008113099/28; Заявлено 08.04.2008; Опубл. 20.10.2009, Бюл. №12
6 Пат. 2008113099/28 Россия, МПК G02B6/00 Чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика тока и магнитного поля, /Моршнев С.И., Чаморовский Ю.К.; ООО "Уникальные Волоконные Приборы"; №2008113099/28; Заявлено 08.04.2008; Опубл. 20.10.2009, Бюл. №12
7 Пат. 2009148729/28, Россия, МПК G01R19/00, G02B6/00 Волоконно-оптический датчик тока, /Боев А.И., Губин В.П., Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К.; ООО "Уникальные Волоконные Приборы"; № 2009148729/28; Заявлено 29.12.2009; Опубл. 20.07.2011, Бюл. №14
8 Пат. 2010104652/22, Россия, МПК G01R17/00, G02B10/00 Волоконно-оптический датчик, /Боев А.И., Губин В.П., Моршнев С.К.,Пржиялковский Я.В., Рябко М.В., Сазонов А.И., Старостин Н.И., Чаморовский Ю.К.; ООО "Уникальные Волоконные Приборы"; № 2009148729/28; Заявлено 22.11.2008; Опубл. 11.02.2010, Бюл. №10
9 Пат. 2008144790/28, Россия, МПК G01R19/00, G01D5/26 Волоконно-оптический датчик электрического тока, /Кострицкий С.М.,Дикевич А.А., Кор-кишко Ю.Н., Федоров В.А.; ГОУ ВПО Московский государственный институт электронной техники (технический университет); № 2008144790/28; Заявлено 13.11.2008; Опубл. 20.05.2010, Бюл. №54
10 Гуртовцев А.Л. Оптические трансформа¬торы и преобразователи тока // Новости Электротехники. 2009. № 5.
11 K. Bohnert, G. Gabus, J. Nehring, H. Brändle Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor // Journal of Lightwave Technology 20. 2007.
12 Абраменкова И.В., Корнеев И.С., Троицкий Ю.В. Оптические датчики тока и напряжения // Компоненты и технологии. 2010. № 8.
13 Некрашевич Е.Ю., Старостин Н.В. Волоконно-оптические датчики тока // Электронные компоненты. 2006. №11
14 Бонерт К., Гугенбах П. Новый оптоволоконный датчик тока FOKS ABB для электрохимических производств // ABB Ревю. 2005. № 1.
15 Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ От печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника. 2006. № 3.
16 Performance Assessment of Advanced Digita Measurement and Protection Systems. PSERX Publication 06-23. August 2006.
17 www.nxtphase.com
18 www.fieldmetricsinc.com
19 www.airak.com
20 www.abb.com
ПРИЛОЖЕНИЕ
Курсовая работа содержит 32 страницы, 16 рисунков, 1 таблицу, 20 источников.
ДИСТАНЦИОННЫЙ ДАТЧИК, ТОКОВЫЕ КЛЕЩИ , ДАТЧИК ХОЛЛА , ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ, ЭФФЕКТ ХОЛЛА, ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА, ПОСТОЯННАЯ ВЕРДЕ.
Контроль протекающего тока является важнейшей задачей во многих областях промышленности, энергетики, на научных и транспортных предприятиях. Для каждой задачи требования, предъявляемые к датчикам, могут быть различными, это и объясняет применение различного оборудования.
В данной работе были рассмотрены современные типы датчиков исполь-зуемые в настоящее время для измерения больших токов. Общим их недостатком является наличие эффекта насыщения, ограничиваю¬щего сверху измеряемые токи, что требует существенного изменения конструкции датчика при переходе к измерению больших токов. Рассмотрен новый тип датчиков тока применяемых в высоковольтных линиях электропередач — волоконно-оптические датчики, объединяющий многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время многих присущих им недостатков. Проведен анализ характеристик волоконно-оптических датчиков, и выбран датчик FOKS фирмы АББ.
СОДЕРЖАНИЕ
С.
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 5
2 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЫБОР ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 31
ПРИЛОЖЕНИЕ 33
ВВЕДЕНИЕ
Электроэнергетика — одна из самых консервативных областей, сейчас активно растет и обновляется. Оборудование, изобретенное и использующееся с середины XX в., ныне заменяется на совре¬менное. Примером новейшего оборудования для измерения тока является волоконно-оптический датчик тока.
Более ста лет в электроэнергетике и промышленности при высоковольтных измерениях переменных токов используют электромагнитные измерительные трансформаторы тока, работа которых основана на явлении и законе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем еще в 1831 г. Другое явление, открытое им же в 1845 г., – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле. Это явление, названное в честь автора эффектом Фарадея, стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений и ждало своего крупномасштабного технического применения более 150 лет.
В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились в ВЭИ им. В.И. Ленина еще в начале 70-х годов прошлого века. В те же годы в мире появилось и первое промышленное оптическое волокно, которое пытались использовать не только для дистанционной передачи оптических сигналов, но, в частности, и в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ), использующих эффект Фарадея. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики"
(optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики —
очень молодая область техники.
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР
На современном этапе развития электроэнергетики при повсеместном использовании электрооборудования и электроприборов наиболее актуальным является достоверное измерение силы тока для обеспечения высокой надежности и безопасности промышленных систем и сетей. Для осуществления мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки применяются различные типы датчиков тока [1].
Достоверное измерение токов в энергетическом оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надежности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Специализированные датчики также применяются для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки.
Современные датчики тока подразделяются на следующие типы:
1 резистивные датчики (токовые шунты);
2 датчики тока на эффекте Холла;
3 трансформаторы тока;
4 волоконно-оптические датчики тока на эффекте Фарадея;
5 пояс Роговского;
6 токовые клещи.
Резистивные датчики тока – самые дешёвые, линейные и точные и обладают преимуществами, в возможностью измерять как переменный, так и постоянный токи. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термоЭДС при больших токах, снижающие их точность измерения. Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения.
Рисунок 1 – Возникновение ЭДС Холла, где:
В – индукция магнитного поля; Vн – напряжение Холла; Ic – ток сети
Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах проводника или полупроводника помещенного перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рисунок 1). Для меди напряжение Холла составляет мкВ/кГс (с учетом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и «естественная» гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения ( в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания. Повышение точности уставки датчиков тока, увеличение надежности на-стройки, увеличение безопасности персонала решается с помощью изобретения [5]. Технический результат изобретения заключается в повышении точности настраиваемой уставки датчика тока, уменьшении массы используемого оборудования при выполнении заявленного способа, увеличении надежности за счет исключения человеческого фактора при настройке, а также в полной автоматизации заявленного способа настройки датчика тока. Способ настройки датчика тока на основе датчика Холла включает пропускание электрического тока через датчик тока однократно в виде импульса с определенным фронтом и регулировку электронным устройством элемента датчика тока, отвечающего за величину уставки, путем запоминания показаний данного датчика тока при срабатывании образцового датчика тока вследствие достижения током желаемой величины уставки.
Рисунок 2 – Холловский датчик тока разомкнутого типа, где:
- ток в первичной цепи; - выходное напряжение усилителя
На рисунке 2 и 3 представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла – разомкнутого и замкнутого типов соответственно. Датчики замкнутого типа ( с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональна числу витков компенсирующей обмотки. Однако по стоимости они приближаются к трансформаторам тока
Датчики на основе трансформаторов тока обычно работают на сетевой частоте и естественно не могут использоваться в цепях постоянного тока. Их стоимость превышает стоимость приборов на основе эффекта Холла. К преимуществам трансформаторных датчиков следует отнести отсутствие вносимых потерь и напряжения смещения при нулевом токе, а также гальваническую развязку с высоким пробивным напряжением. Кроме того, они не нуждаются в дополнительном источнике питания. Недостатком трансформаторов тока является насыщение сердечника при наличии в первичной обмотке постоянной составляющей что приводит к необратимой деградации точности преобразования. Для решения этой проблемы при изготовлении сердечника используют материалы с высокой магнитной проницаемостью, что, однако, увеличивает фазовый сдвиг в цепи измерения, уменьшает динамический диапазон и термостабильность. Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты.
Рисунок 3 – Холловский датчик тока замкнутого типа, где:
- ток в первичной цепи; - ток во вторичной обмотке; - выходное напряжение усилителя
В изобретении [6] предлагается устройство способно заменить широко используемые в настоящее время для этой цели измерительные трансформаторы тока. шунта. Постановленная задача решается тем, что в датчик тока, содержащий шунт, который через токовые вход и выход включен последовательно в цепь измеряемого тока, первый и второй резисторы, операционный усилитель, введен проволочный резистор, один из выводов которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и одновременно через первый резистор с его выходом, являющимся выходом датчика тока, неинвертирующий вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной, второй вывод проволочного резистора подключен к токовому входу шунта, а токовый выход шунта соединен с общей шиной, при этом шунт датчика тока выполнен в виде n изолированных между собой, расположенных параллельно друг другу пластин П-образной формы одинаковых размеров, причем входы и выходы всех пластин, являющиеся соответственно токовыми входом и выходом шунта, соединены между собой таким образом, чтобы направления токов, протекающих в соседних пластинах, были взаимно противоположны, проволочный резистор выполнен в виде обмотки П-образных пластин проводом в плоскости, ортогональной к направлению входного (выходного) тока П-образных пластин, а материал проволочного резистора и П-образных пластин имеет одинаковый температурный коэффициент сопротивления.
Датчик тока на основе пояса Роговского в основном применяется для измерения импульсных токов большой величины, но он обладает невысокой точностью и при его использовании появляется необходимость в интегрирующем устройстве. Принцип работы этих датчиков основан на измерении напряжения на выводах прямоугольной проводящей рамки, размещенной рядом с проводником. Основной проблемой датчиков на базе катушки Рогосовского является обеспечение надежной защиты от внешних магнитных полей, особенно низкочастотных (экранирование здесь неэффективно), которые могут существенно увеличить погрешность измерения. По сравнению с трансформаторами тока эти датчики компактнее, легче, дешевле, обеспечивают весьма широкую полосу частот и, поскольку сердечник отсутсвует, не насыщаются при больших токах.
Для одновременного измерения напряжения и тока в высоковольтных коаксиальных формирующих и передающих линиях предлагается изобретение сочетающее датчик тока и напряжения [7].. В датчике тока (индуктивном поясе Роговского), выполненном в виде тороидальной катушки, намотанной на изоляционном каркасе, размещенной в кольцевой проточке на одном из рабочих электродов высоковольтной установки или линии передачи, прикрытой металлической крышкой и соединенной с рабочим электродом одним своим выводом напрямую, а другим выводом – через резистивную нагрузку, новым является то, что металлическая крышка изолирована от рабочего электрода и соединена с рабочим электродом через емкостную нагрузку. Изобретение относится к электротехнике и предназначено для одновременного измерения тока и напряжения в высоковольтных коаксиальных формирующих и передающих линиях.
Токовые клещи за счет малой точности измерения широкого применения в промышленности не получили.
Недостатков предыдущих датчиков лишены волоконно-оптические датчики тока, работа ко¬торых основана на эффекте Фарадея. Неослабевающий интерес к которым, связан с высокими потенциальными возможностями этих устройств. К ним относятся:
- Широкий динамический диапазон из¬мерений (токов до сотен кА, напря-жения до сотен кВ);
- Высокая линейность;
- Широкий частотный диапазон, позволя¬ющий анализировать гармоники напря¬жения и тока непосредственно в высоко¬вольтной цепи;
- Отсутствие влияния нагрузки вторичных цепей и потерь в них;
- Высокая устойчивость оптоволоконных информационных каналов к внешним электромагнитным помехам;
- Меньшие массо-габаритные показатели;
- Первичный оптический преобразователь может быть удален от блока электроники на 450-900 м и более.
Но для использования этих датчиков в системах релейной защиты и автоматики необходимы специальные терминалы, что ведет к дополнительному увеличению их стоимости.
Применение волоконно-оптических датчиков тока осо¬бенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сетях, что объ¬ясняется тем, что наиболее сложные вопросы обеспечения изоляции, особенно для высоко¬вольтных приложений, решаются автомати¬чески за счет физической природы преобразо¬вания, так как элементы оптики оптического волокна изначально являются диэлектриками. Соответственно, легко обеспечивается гальва¬ническая развязка измерительной и высоко¬вольтной цепи, повышается безопасность при эксплуатации данных приборов.
Работа оптического датчика тока основана на эффекте Фарадея, заключающемся в из¬менении поляризации светового потока под воздействием магнитного поля. Основная особенность эффекта Фарадея заключается в его невзаимности, т.е. в нарушении принципа обратимости светового луча: его движение «назад» дает такой же угол поворота и в ту же сторону, что и движение «вперед». Изменение же направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения плоскости поляризации на противоположное. Феноменологическое объяснение этого явления дает возникающая в среде под действием магнитного поля циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Как следствие, при распространении в среде вдоль магнитного поля пучка линейно поляризованного монохроматического света фазовые скорости (скорости пространственного перемещения фазы волны) его право- и левоциркулярной поляризованных составляющих различны, за один и тот же интервал времени они проходят в среде различные пути, что и приводит к вращению плоскости поляризации результирующего пучка света. В эффекте Фарадея магнитное поле влияет на поляризацию света лишь косвенно, изменяя оптические характеристики среды прохождения света (в вакууме магнитное поля не оказывает на свет влияния). Конкретная реализация датчиков, использующих этот эффект, может отличаться и патентуется фирмами-производителями.
Упрощенная структура электронно-оптической схемы датчика тока (рисунок 4) со¬держит источник оптического сигнала [2]. Этот сигнал с помощью разветвителя преобразу¬ется в два право и левополяризованных сиг-нала с противоположными направлениями вращения, которые поступают в оптическую петлю, выполненную из N витков оптово¬локна. Магнитное поле, создаваемое током I, протекающим по проводу, в соответствии с эффектом Фарадея замедляет один сиг¬нал и ускоряет другой. Оба сигнала доходят до следующего кругового поляризатора, ко¬торый преобразует их в линейно поляризо¬ванные световые потоки с плоскостями по¬ляризации, сдвинутыми на угол:
, (1)
где V — постоянная Верде.
Рисунок 4 – Структурная схема волоконно-оптического датчика тока с
электронно-оптическим блоком, где: 1 – оптическая петля; 2 – проводник с током; 3 – электронно-оптический блок; 4, 5 – поляризаторы; 6 – разветвитель; 7 – фотоприемник; 8 – источник оптического сигнала; 9 – цифровой блок.
Пришедшие световые потоки преобразуют¬ся фотоприемником в два напряжения пере¬менного тока с частотой:
C/ , (2)
где: С - ско¬рость света в оптоволокне,
X - длина волны оптического излучения.
Полученные элек¬трические сигналы поступают на ввод аналого-цифрового преобразователя электронного блока, преобразующего угол в цифровую в с дальнейшей обработкой в DSP-процессоре. Цифровой блок оснащен высокоуровневыми и низкоуровневыми аналоговыми интерфейса¬ми и дополнительным цифровым интерфей¬сом, поддерживающим стандарт IEC 61850, что открыло пути к созданию полностью цифро¬вой системы защиты и измерения.
Разработкой оптических датчиков тока занимается целый ряд компа¬ний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI).
Интерес к разработкам, исследованиям и вне¬дрению этих датчиков проявляется и в России. Впервые в нашей стране оптические преобра¬зователи были продемонстрированы компа¬нией «ПроЛайн» [3], являющейся эксклюзив¬ным представителем компании NxtPhaseT&D Corporation, на выставке «Электрические сети России» в ноябре 2006 года. Уже в 2007 г. установлены и введены в эксплуатацию ком¬бинированные оптические системы NXVCT-220 на подстанции 220 кВ ОАО «РЖД». В апреле 2008 г. с применением оптического трансфор¬матора NXCT-F3 в Сургуте создан опытный полигон для подтверждения его эксплутационных и метрологических характеристик. В дека¬бре 2008 г. ОАО «ТГК1» с применением оптиче¬ского трансформатора NXCT-F3 введена точка коммерче-ского учета.
В 2007 г. в России создана компания ООО «Уникальные волоконные приборы» [4], зани¬мающаяся разработкой и изготовлением отече¬ственных оптоволоконных трансформаторов тока, которые, судя по публикуе¬мым техническим характеристикам, не уступа¬ют лучшим зарубежным образцам. Так ими были запатентованы чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика электрического тока и магнитного поля, выполненный в виде уложенного по окружности отрезка кварцевого волоконного световода с внутренним линейным двойным лучепреломлением, и имеющим структуру с периодически повторяющимися вдоль оптического волокна оптическими параметрами, отличающийся тем, что указанная периодическая структура выполнена в виде спиральной структуры внутреннего линейного двойного лучепреломления [6], волоконно-оптический датчик тока, состоящий из электронного и оптического модулей, в котором оптический модуль содержит источник излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фотодетектором, к выходу ответвителя присоединены расположенные последовательно друг за другом поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур, изготовленный из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением и связанный с отражателем излучения, а электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, вход которого связан с выходом фотодетектора, и генератор сигнала, связанный с модулятором, отличающийся тем, что модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида, связанного с генератором сигнала, волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии, первый вход которой соединен с выходом волоконного контура модулятора, второй - с отражателем излучения, первый выход двойной бифилярной волоконной линии соединен со входом измерительного чувствительного волоконного контура, выход которого соединен со вторым выходом двойной бифилярной волоконной линии, при этом волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением [7], также волоконно-оптический датчик тока, отличающийся тем, что магниточувствительное волокно с встроенным линейным двойным лучепреломлением имеет длину поляризационных биений встроенного линейного двулучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения составляет не менее 15 нм [8].
Волоконно-оптический датчик электрического тока разработки москов-ского государственного института электронной техники [10], содержит одномодовое оптическое волокно в качестве чувствительного элемента, сенсорную головку, компенсирующую катушку, многофункциональный интегрально-оптический элемент и фотодиод, отличающийся тем, что используют широкополосный суперлюминесцентный диод в качестве источника света, два волоконных деполяризатора Лио, каждый из которых выполнен из двух отрезков анизотропного волокна разной длины с соотношением длин отрезков 1:2 и минимальной длиной короткого отрезка 1,8-2,3 м, сенсорная головка выполнена намоткой контура из изотропного волокна с длинной волокна в контуре 10-90 м, а компенсирующая катушка выполнена намоткой контура из изотропного волокна с длиной волокна в контуре 400-480 м, выбранной так, чтобы сформировать, вместе с остальными волоконными элементами, интерферометр Саньяка для точного детек-тирования малых фазовых сдвигов, индуцируемых в сенсорной головке вблизи токопровода.
Рисунок 5 - Датчик тока фирмы PowerSence
2 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЫБОР ВОЛОКОННО- -ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
На основе проведенного литературно-патентного анализа лучшими показателями для измерений тока в высоковольтных линиях электропередач обладают волоконно-оптические датчики тока. Рассмотрим несколько подробнее некото¬рые характерные особенности оптических датчиков каждой компании и, соответствен¬но, области их применения.
Обобщенные сравнительные характеристики волоконно-оптических датчиков тока различ¬ных компаний приведены в таблице 1.
Датчики компании NxtPhase T&D Corpora¬tion [5] достаточно хорошо известны отече¬ственным специалистам в области автоматизации систем контроля и защиты электриче¬ских сетей высокого напряжения. Вместе с тем следует сказать, что огромные возможности открывают оптические датчики для средневольтовых и низковольтных цепей. Малые габариты и вес этих датчиков позво¬ляют разместить их на опоре линии электропередачи или подвесить к проводам.
Компания NxtPhase T&D Corporation вы¬пускает:
- высоковольтные измерительные оптиче¬ские преобразователи тока NXCT для из¬мерения тока до 4 кА с классом точности 0,5 в сетях 60-750 кВ;
- высоковольтные измерительные оптиче¬ские преобразователи напряже-ния NXVT для измерения напряжения в диапа¬зоне 138-500 кВ с классом точности 0,25;
- высоковольтные измерительные оптиче¬ские преобразователи тока и напряжения, совмещенные NXVCT для измерения тока в диапазоне до 4 кА и напряжения до 500 кВ с классом точности 0,25;
- измерительные оптические преобразовате¬ли, трансформируемые NXCT-F3, предна¬значенные для измерения токов до 100 кА в цепях переменного тока и до 600 кА в це¬пях постоянного тока, что дает возмож¬ность их использования в металлургиче¬ской и химической промышленности.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики оптоволоконных датчиков тока различных компаний
Характеристика NxtPhase PowerSense OptiSense FieldMetrics ABB Airak OOO«УВП»
Номин. токи, кА 0,1-100 5-20 0,003-1 0,6-20 1-3,5 0,003-30 1-450
Класс точности, % 0,25 2 0,2 0,2 0,2 1 0,25
Рабочая частота, Гц 50/60 50/60 - 50/60 50/60 50/60 0-6000
Частотная полоса, Гц 0,01-6000 - - до 5000 0-10 000 5-5000 0-9000
Номин. напряже-ние, кВ 69-765 36 15, 20, 35 11-36 72,5-800 3,6-36 110-750
Масса, кг 49-95 - 9 5-15 50-186 0,028-0,57 от 40
Диапазон рабочих температур, °С -50…+60 -40…+50 -40…+75 -50…+85 -5...+40 -40…+85 -50…+60
Рисунок 6 – Комбинированный модуль MetPod
Компания FieldMetrics, Inc. [18] основана в 2001 г. и специализируется на разработке и производстве трех линеек оптоволоконных датчиков для средневольтовых (11-36 кВ) энергетических сетей переменного тока: MetPod, Fiber MetPod, MetPod Lite класса 0,2.
В линейку MetPod входят комбинирован¬ные датчики тока и напряжения (рисунок 6), которые могут крепиться непосредственно на опоре. Электронный блок с автономным блоком питания выполнен в единой кон-струкции с датчиками. Связь с пунктом сбо¬ра и обработки информации осуществляется по радиоканалу мощностью до 1 Вт.
Fiber MetPod предусматривает интегри¬рованное исполнение датчика тока, датчика напряжения и электронного преобразова¬теля оптических сигналов в цифровой код, размещаемых в легком прочном корпу¬се. Непосредственно на корпусе монтируется радиопередатчик, обеспечивающий беспро¬водную связь с диспетчерским пунктом.
MetPod Lite — датчик тока класса 0,3, об¬легченной конструкции, крепится на изо¬лированной штанге, подключаемой между активным проводом и нейтралью (рисунок 7). Датчики имеют более низкую стоимость по сравнению с MetPod.
Рисунок 7 – Датчик тока MetPod Lite
Помимо оборудования для контроля па¬раметров средневольтовых сетей, фирма активно разрабатывает и внедряет датчики класса 0,3 для высоковольтных приложений. В основе этих датчиков лежит модульный принцип построения, состоящий в использо¬вании опорных модулей на 15 кВ, из которых можно набирать датчики для сетей до 750 кВ.
Компания PowerSense A/S [4], основанная в 2006 году, предложила потребителям ли¬нейку энергоизмерительного оборудования Discos, в которую вошли оптоволоконные датчики тока (рисунок 8а), напряжения (рисунок 8б) и комбинированные датчики тока/напряже¬ния (рисунок 8в), предназначенные для работы в сетях до 36 кВ. Диапазон измерения то¬ков — от 5 А до 20 кА с погрешностью 2%, погрешность измерения напряжения — 1%. Сами датчики крепятся на штанге и оптово¬локном соединяются с оптическим модулем, размещаемым на опоре.
Компания Optisense Network, основанная в 2001 г., специализируется на производстве высокоточных компактных датчиков тока и напряжения, исполь-зуемых в сетях с на¬пряжением до 35 кВ.
а) б) в)
Рисунок 8 – Датчики фирмы PowerSense: а) датчик тока;
б) датчик напряжения; в) комбинированные датчики тока и напряжения.
Рисунок 9 – Оптоволоконный датчик тока фирмы Airak, Inc. для
воздушных линий
Компания Airak, Inc. [19] выпускает оптово¬локонные датчики, отличаю-щиеся наимень¬шими массо-габаритными показателями.
Оптоволоконные датчики тока этой фирмы лучшими показателями. Токовый датчик для воз¬душных линий (рисунок 9) позволяет измерять токи в диапазоне от 3 А до 1 кА (возможны версии до 15 кА) с погрешностью, не превы¬шающей 1%. Он работает в диапазоне темпе¬ратур -40… +85 °С. Вес этих датчиков не пре¬вышает 570 г, что позволяет легко смонти¬ровать их прямо на проводах, не прибегая к разъединению линии (рисунок 10).
Рисунок 10 – Размещение датчиков фирмы Airak, Inc. на
воздушной линии электропередачи
Компактность и малый вес последнего датчика привлекает внимание раз-работчи¬ков систем контроля и управления энерге¬тическими системами на наземном, морском и воздушном транспорте. В США в рамках программы по модернизации морского фло¬та разрабатываются так называемые «полно¬стью электрические» (all-electric) корабли [11]. Первое такое судно должно быть сдано в экс¬плуатацию в 2011 г. Для обеспечения мони¬торинга и управления всеми системами ко¬рабля требуется около 10 000 электрических датчиков. Такую задачу невозможно решить с использованием традиционных датчи¬ков, включая датчики Холла. В связи с этим на фирме Airak, Inc. специально для этих це¬лей были разработаны сверхминиатюрные оптоволоконные датчики тока и напряжения с погрешностью измерения 1%.
Представляет интерес датчик, предназна¬ченный для измерения тока и напряженности магнитного поля при применении в стацио¬нарном оборудовании (рисунок 11). Датчик имеет вес 28 г и устанавливается на шину 4" ". Токи измеряются в диапазоне от 3 А до 3 кА с погрешностью не более 1%.
Рисунок 11 – Датчик тока и напряженности магнитного поля для
применения его в стационарном оборудовании
Компания ABB, Inc. [20] известна, прежде всего, по токовым датчикам, используемым в цепях постоянного тока, основанным на эф¬фекте Холла [15]. Преобразователи такого типа хотя и надежны, но очень сложны, а их вес может достигать 2000 кг. При их установ¬ке также необходимы сложные процедуры настройки для исключения влияния асим¬метричного поля и перекрестных наводок с расположенных рядом шин. Для решения этих и других проблем компания ABB разра¬ботала новый оптоволоконный датчик тока (Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рисунок 12) [14]. По сравнению с преобразователем постоянного тока на эффекте Холла, датчики FOCS от АББ не только обладают лучшими характеристиками и большей универсальностью, но при этом имеют меньшие габариты и вес. Помимо этого, установ¬ка и ввод в эксплуатацию упрощаются до предела. В частности, сложные картины магнитных полей от сильных токов соседних шин не оказывают влияния на датчик. Это обеспечивает дополни¬тельную свободу выбора места расположения датчика.
Датчики этого типа идеально удов¬летворяют требованиям, предъявляемым заказчи¬ками к таким изделиям:
- продолжительность установки и вво¬да в эксплуатацию измеряется часа-ми, а не днями;
- резко снижается сложность системы;
- устройства не подвержены воздействию маг¬нитных полей сложных конфигураций и пе¬рекрестным наводкам от соседних шин;
- повышается точность (до 10-кратного уменьшения погрешности);
Рисунок 12 – Датчик тока FOKS фирмы ABB
- широкая полоса пропускания обеспечива¬ет быструю реакцию на пульсации и неста¬ционарные токи;
- датчики обеспечивают измерение посто¬янных токов как в одном, так и в двух на¬правлениях.
Основными компонентами датчика FOCS являются оптоэлектронный мо-дуль и чувствительное оптоволокно с одним выходом, идущее вокруг проводника тока.
В состав оптоэлектронного модуля входит по¬лупроводниковый источник света, цепь детек¬тирования и цифровой сигнальный процессор. Две световые волны с ортогональной линейной поляризацией от источника света посредством промежуточного световода подаются на изме¬рительное волокно. Оптоволоконный фазозадерживающий модуль преобразует линейные волны в волны с левой и правой круговой поля¬ризацией на входе в измерительный световод.
В магнитном поле тока эти световые волны проходят по измерительному световоду с разной скоростью, что приводит, в свою очередь, к раз¬ности оптического пути или, что эквивалентно, разности оптических фаз Δϕ. Световые волны отражаются в конце световода и возвращаются по своим оптическим путям в оптоэлектронный модуль. Две полученных световых волны затем интерферируют в цепи детектирования.
Сигнальный процессор преобразует разность оптических фаз в цифровой сигнал. Суммарная разность фаз пропорциональна линейному интегралу магнитного поля по за¬мкнутому контуру, описанному измерительным волокном, и является, таким образом, непосредс¬твенной мерой электрического тока. Сигнал не зависит от конкретной картины распределения магнитного поля при условии, что количество витков измерительного волокна является целым числом. (При больших токах, характерных для электрохимической промышленности, одного витка оптоволокна уже достаточно для измерения тока). Система оказывается нечувствительна и к перекрестным наводкам от токов, проходящих вне витка. Ни диаметр, ни форма витка оптово¬локна не имеют значения.
Разность времен прохождения в двух направлени¬ях для световых волн с левой и правой круговой поляризацией составляет от 10-21 до 10-15 с в зависимости от силы тока. Непосредственное измерение таких величин нецелесообразно, по¬этому с высокой точностью измеряется разность оптических путей или фаз, которая является долей длины волны света. Для этого волны подвергают интерференции, т.е. налагают друг на друга. В зависимости от разности фаз волн, последние интерферируют с усилением или ос¬лаблением. Наименьшая разность пути, которую удается измерить, в 100 раз меньше диаметра атома водорода и соответствует току 0,25 А (при измерении в течение одной секунды на одном витке). В настоящее время максимальный изме¬ряемый ток, при котором разность путей равна целой длине волны, составляет ±600 кА (±500 кА + 20% запаса).
Одним из преимуществ использования измери¬тельного витка в режиме с отражением является то, что выходной сигнал датчика не зависит от механиче-ских воздействий и вибраций. В режиме с отражением в конце витка световые волны меняют состояние поляризации на обратное. В результате противоположные сдвиги фаз, вы¬званные вибрациями, взаимно компенсируются, а совпадающие по направлению магнитооптичес¬кие сдвиги по пути волн удваиваются.
Рисунок 13 - Сегмент корпуса головки датчика
Для обеспечения максимальной точности оптово¬локонного датчика тока крайне важна укладка из¬мерительного волокна без механических напря¬жений. Любое напряжение нарушит ход световых волн с круговой поляризацией и, соответственно, измеренную разность фаз. Недопустимо даже воз¬никновение напряжений, связанных с тепловым сокращением защитного покрытия оптоволокна при низкой температуре.
В связи с этим в АББ была разработана особая технология укладки измерительного волокна в виде гибкой «измерительной ленты» (рисунок 13). Этот метод обеспечивает превосходную точность (пог¬решность в пределах 0,1%) в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C, а гибкость ленты упрощает транспортировку и установку. Температурная зави¬симость эффекта Фарадея (в диапазоне 100 °C от¬клонение 0,7%) компенсируется в самом приборе противоположным вкладом фазозадерживающего модуля.
Рисунок 14 - Модульный корпус головки датчика
Еще одним преимуществом является то, что калибровка датчика, выпол-ненная на заводе, не нарушается при транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах, за счет чего на месте после монтажа датчика нет необходимости в какой-либо повторной калибровке.
«Измерительная лента» с измерительным волок¬ном располагается в мо-дульном корпусе головки датчика, состоящей из отдельных сегментов. Сегменты изготовлены из эпоксидной смолы, армированной волокнистым материалом. Такой корпус можно с легкостью адаптировать под ши¬ны различного сечения, меняя длину прямых сег¬ментов (рисунок 14), а установку датчика можно вести без размыкания токоведущих шин (рисунок 15).
Рисунок 15 – Монтаж датчика на токоведущих шинах
Встроенный цифровой сигнальный процессор обеспечивает высокую точность и превосходную долговременную стабильность показаний. Кроме того, схема измерения с замкнутым контуром компенсирует сдвиг оптической фазы, вызван¬ный током, в результате чего обеспечивается идеальная линейность во всем динамическом диапазоне.
Оптоэлектронный модуль встроен в контроллер для управления силовыми установками АББ марки AC 800PEC (рисунок 16а), который может быть установ¬лен на расстоянии до 70 м от головки датчика. В состав контроллера силового преобразова¬теля AC 800 PEC входит оптоэлектронный модуль датчика. Этот модуль, построенный по технологии изготовления оптических гироскопов, измеряет магнитооптический сдвиг фазы световой волны. Встроенный оптический фазовый модулятор на ниобате лития (рисунок 12б) – основной компонент детектирующей цепи.атчик может поставляться как в составе силовых преобразователей от АББ, так и в качестве отде¬льного устройства. С выхода оптоэлектронного модуля через синхронный интерфейс передается цифровой сигнал с разрешением 24 бит. Он поступает на контроллер AC 800 PEC по высокос¬коростному каналу PowerLINK от АББ.
а) б)
Рисунок 16 - Контроллер силового преобразователя AC 800 PEC
Для автономных систем цифровой сигнал также выдается по протоколу промышленной шины PROFIBUS DP SLAVE. Более того, предусмотрен вы-ход сигналов 0(4)–20 мА и 0(0,2) –1 В. По запросу заказчика возможна реализация цифровой обра¬ботки сигналов, например, регистрации измене¬ний параметров во времени или гармонического анализа. Работоспособность устройства контро¬лируется встроенными блоками самодиагностики, передающими данные на главный контроллер.
В сравнении с другими волоконно-оптическими датчиками, оптово-локонный датчик FOKS обладает рядом преимуществ:
- установка датчика производится значи¬тельно проще и быстрее;
- нет необходимости в центровке измери¬тельной головки в магнитном поле, благо¬даря этому получается значительная «свобода» при установке датчика.
- ограничения по месту расположения изме¬рительных головок несущественны. Легкость монтажа датчика позволяет очень быстро осу-ществить на предприятии замену действующей измерительной системы;
- в отличие от традиционных преобразователей тока, ошибки, связанные с асимметричным распределением поля и магнитными помехами, компенсируются благодаря самому принципу действия прибора;
- головка датчика была существенно упроще¬на, что в свою очередь, снижает вероятность отказов;
- датчик может работать с двунаправленны¬ми магнитными полями. Местное обращение вектора магнитного поля, вызванное силь¬ными токами, протекающими по соседним проводникам, не приводит к погрешностям в измерениях;
- широкая полоса пропускания (частота диск¬ретизации 4 кГц) позволяет восстанавливать переменные составляющие тока, такие как пульсации и кратковременные нестационар¬ные токи, а также обеспечивает очень малое время реагирования системы управления ТП и делает возможным проведение гармони¬ческого анализа;
- головка датчика полностью состоит из диэлектрических материалов, а значит, совершенно безопасна. Электронные схемы обработки сигналов полностью гальванически развязаны от шин;
- потребление энергии оптическим датчиком пренебрежимо мало по сравнению с обыч¬ными датчиками, которые потребляют до нескольких киловатт.
Датчик позволяет измерять токи от 0 до ±500 кА с погрешностью 0,1% в диа¬пазоне частот от 0 до 4 кГц. Вес одной сек¬ции — 5 кг.
На основании проведенного сравнительного анализа лучшими характеристиками обладает датчик FOKS фирмы АББ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассмотрены современные типы датчиков исполь-зуемые в настоящее время для измерения больших токов. Общим их недостатком является наличие эффекта насыщения, ограничиваю¬щего сверху измеряемые токи, что требует существенного изменения конструкции датчика при переходе к измерению больших токов. Так, для измерения в высоковольтных линиях электропередач наиболее лучшими показателями обладают волоконно-оптические датчики тока.
Рассмотрен новый тип датчиков тока применяемых в высоковольтных линиях электропередач — волоконно-оптические датчики, объединяющий многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время многих присущих им недостатков. Проведен сравнительный анализ характеристик волоконно-оптических датчиков, по результатам которого выбран датчик FOKS фирмы АББ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Клименко К. А. Сравнительный анализ современных датчиков тока / К. А. Клименко // Молодой ученый. — 2011. — №8. Т.1. — С. 66-68.
2 2 Данилов А.В. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2010. № 8.
3 Власов М., Сердцев А.И. Оптические трансформа¬торы: первый опыт // Энергоэксперт. 2007. № 1.
4 Афанасьев В. В. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев и [др.], Н. М. Адоньев, В. М. Кибель, И. М. Сирота, Б. С. Стогний. – Л. : Энергоатомиздат, 1989. – 416 с.
5 Пат. 2008113099/28 Россия, МПК G01R15/20 Способ настройки датчика тока /Мурадов Э.Ш., Морозов А.Г.; ООО "Технос"; №2008113099/28; Заявлено 08.04.2008; Опубл. 20.10.2009, Бюл. №12
6 Пат. 2008113099/28 Россия, МПК G02B6/00 Чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика тока и магнитного поля, /Моршнев С.И., Чаморовский Ю.К.; ООО "Уникальные Волоконные Приборы"; №2008113099/28; Заявлено 08.04.2008; Опубл. 20.10.2009, Бюл. №12
7 Пат. 2009148729/28, Россия, МПК G01R19/00, G02B6/00 Волоконно-оптический датчик тока, /Боев А.И., Губин В.П., Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К.; ООО "Уникальные Волоконные Приборы"; № 2009148729/28; Заявлено 29.12.2009; Опубл. 20.07.2011, Бюл. №14
8 Пат. 2010104652/22, Россия, МПК G01R17/00, G02B10/00 Волоконно-оптический датчик, /Боев А.И., Губин В.П., Моршнев С.К.,Пржиялковский Я.В., Рябко М.В., Сазонов А.И., Старостин Н.И., Чаморовский Ю.К.; ООО "Уникальные Волоконные Приборы"; № 2009148729/28; Заявлено 22.11.2008; Опубл. 11.02.2010, Бюл. №10
9 Пат. 2008144790/28, Россия, МПК G01R19/00, G01D5/26 Волоконно-оптический датчик электрического тока, /Кострицкий С.М.,Дикевич А.А., Кор-кишко Ю.Н., Федоров В.А.; ГОУ ВПО Московский государственный институт электронной техники (технический университет); № 2008144790/28; Заявлено 13.11.2008; Опубл. 20.05.2010, Бюл. №54
10 Гуртовцев А.Л. Оптические трансформа¬торы и преобразователи тока // Новости Электротехники. 2009. № 5.
11 K. Bohnert, G. Gabus, J. Nehring, H. Brändle Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor // Journal of Lightwave Technology 20. 2007.
12 Абраменкова И.В., Корнеев И.С., Троицкий Ю.В. Оптические датчики тока и напряжения // Компоненты и технологии. 2010. № 8.
13 Некрашевич Е.Ю., Старостин Н.В. Волоконно-оптические датчики тока // Электронные компоненты. 2006. №11
14 Бонерт К., Гугенбах П. Новый оптоволоконный датчик тока FOKS ABB для электрохимических производств // ABB Ревю. 2005. № 1.
15 Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ От печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника. 2006. № 3.
16 Performance Assessment of Advanced Digita Measurement and Protection Systems. PSERX Publication 06-23. August 2006.
17 www.nxtphase.com
18 www.fieldmetricsinc.com
19 www.airak.com
20 www.abb.com
ПРИЛОЖЕНИЕ
Не Пропустите:
- Практическая работа №4 Тема: «Расчёт разветвлённых цепей переменного тока методом разложения токов на активные и реактивные составляющие методом проводимостей».
- Практическая работа №3 Тема: «Расчёт неразветвлённой цепи переменного тока».
- Лабораторная работа "моделирование источников электрической энергии"
- Лабораторная работа №12 Тема: «Измерение мощности в цепи трёхфазного тока методом двух ваттметров».
- 25Укажите основные типы потенциометров.