Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

© «НПП Марс-Энерго», Санкт-Петербург, 2014

Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь напряжения

Содержание

1. Актуальность задачи2. Потребность на рынке электроэнергетики3. Проблемы внедрения.

Варианты технических решений4. Магнитооптический измерительный

преобразователь тока5. Электрооптический измерительный

преобразователь напряжения6. Исполнение для работы в составе ЦПС7. Перспективы серийного производства

2

Актуальность

3

В соответствии с единой технической политикой ОАО «Россети» определены приоритеты по развитию активно-адаптивных сетей и внедрению в нее цифровых элементов, в частности актуальна задача по разработке цифровых комбинированных ИТН и ИТТ на 35, 110 кВ.

Одними из наиболее перспективных являются оптические ИТН и ИТТ. В настоящее время на рынке нет оптических ИТН на напряжение ниже 110 кВ.

Почему?

Средняя степень износа электросетевых объектов составляет 70 %. В случае модернизации или замены традиционных ИТТ и ИТН в сетевом комплексе энергосистемы при переходе на цифровые технологии необходимо учитывать количество подстанций, стоимость современных электромагнитных и оптических измерительных трансформаторов.

В этой области напряжений стоимость оптических ИТН и ИТТ на порядок выше стоимости традиционных трансформаторов. Например, стоимость гибкого оптического цифрового ИТТ составляет около 40 000 долларов США.

Тип ПСУровень напряжения, кВ

Количество ПС, шт

Распределительные ПС3/6/10–220 460 081

Магистральные ПСВыше 220 891

Потенциальный спрос на рынке электроэнергетики

Тип трансформатора Ориентировочная стоимость, тыс. руб.

ИТТ 300/5 ÷ 4000/5кл . напряжения 35 кВ 40 ÷ 70

ИТНкл. напряжения 35 кВ 50 ÷ 100

4

Количество подстанций с разделением по уровню напряжения

(источник информации – ИТАР-ТАСС, декабрь 2013 г.)

Стоимость традиционных измерительных трансформаторов

(данные прайса завода-изготовителя, 2014 г.)

Проблемы внедрения оптических трансформаторов на кл. напряжения ниже 110 кВ

Высокая стоимость оптических трансформаторов по сравнению с традиционными является сдерживающим фактором, в особенности на кл. напряжения ниже 110 кВ.

В настоящее время применение оптических ИТН становится рентабельным при уровне напряжения выше 110 кВ, поскольку их изначально высокая стоимость компенсируется меньшими затратами на монтажные работы по сравнению с традиционными ИТН.

5

1. Высокая себестоимость производства оптических ИТН, сконструированных на основе эффекта Покельса, по оценке специалистов связана с техническими и техно-логическими проблемами по устранению влияния внешних ЭМ полей и обеспечению необходимого динамического диапазона измерений.

2. Оптические ИТТ, спроектированные на основе эффекта Фарадея с использованием оптоволокна в качестве чувствительного элемента, имеют более широкое распространение и универсальное применение на ПС разных кл. напряжения. При всех достоинствах этих ИТТ, имеется ряд ограничений по внедрению, связанных с уникальной технологией изготовления спец. оптоволокна.

В настоящее время оптические ИТН на кл. напряжения ниже 110 кВ отсутствуют на рынке электроэнергетики для широкого применения.

Экраны

Оптические датчики Покельса

Проблемы внедрения оптических трансформаторов на кл. напряжения ниже 110 кВ

6

Оптический ИТН с Uном = 110÷750 кВ

Варианты решения

Учитывая, что большинство измерительных трансформаторов в энергосистеме имеет кл. напряжения ниже 110 кВ, а предлагаемые оптические трансформаторы значительно дороже или вовсе не выпускаются серийно, Марс-Энерго проводит исследовательские работы по созданию нового типа ИТТ и ИТН на класс напряжения 35 кВ, имеющих простую конструкцию по сравнению с существующими на рынке оптическими трансформаторами и потенциалом снижения стоимости при серийном производстве.

7

Класс напряжения, кВ0-6-10-15-35 110 220 330 500 750

Отсутствуют предложения

…

35 кВ


магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея,

и

электрооптический измерительный преобразователь переменного напряжения, основанный на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

8

В «НПП Марс-Энерго» разрабатываются:


9

Структурная схема универсального измерительного преобразователя

На рисунке приведена упрощенная структурная схема универсального измерительного преобразователя, который в зависимости от используемого чувствительного элемента может использоваться для измерения тока или напряжения.

Два световода,) оптически связывающие чувствительный элемент с электронным блоком и обеспечивающие гальваническую развязку между зонами с разным потенциалом

Ячейка Фарадея (измерение тока) или ячейка электрогирации (измерение напряжения),) расположенная в зоне высокого потенциала

Электронный блок,) расположенный в зоне низкого потенциала

высокий потенциал

низкий потенциал

усилительфототока

интегратор

выход

чувствительныйэлемент

первыйполяризатор

второйполяризатор

линза линза

первыйсветовод

второйсветовод

фотодиодсветодиод

опорный источник

тока

Перспективные СИМагнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5

10

вход

выход

проводник с измеряемым

током

поляризатор

поляризатор

линза

линза

Особенности конструкции:1. В разработанном преобразователе чувствительным

элементом являются четыре призмы, расположенные последовательно по ходу распространения света, выполненные из стандартного диамагнитного стекла и образующие замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током.

2. Поляризаторы интегрированы в призмы.

Преимущества исполнения преобразователя:1. Низкий уровень шумов2. Простота оптоэлектронного блока

НазначениеПреобразователь, состоящий из чувствительного элемента (ячейки Фарадея) и оптоэлектронного блока, предназначен для преобразования первичных мгновенных значений переменных и импульсных токов в пропорциональные значения низкого вторичного тока или цифровой сигнал. Он основан на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

Принцип действияЭффект Фарадея проявляется в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света.

Устройство ячейки Фарадея


Технические характеристики (планируемые)

11

Диапазон измерения тока

0,1 ÷ 6 кА с допускаемой

кратковременной перегрузкой 100 кА

Рабочая частота 1 Гц … 10 кГцМодульная погрешность измерения, Δf

0,2–0,5 %

Угловая погрешность измерения, Δδ

2 мин

Предварительные результаты испытанийИспытания проводились в лаборатории при н. у.

Δf, %

I, А

I, А

Δδ, м

ин

Структурная схема преобразователя тока

(не превышает 2 мин.)


Эталонный ТТIном = 5 кА

МПР-МЭ-5Iном = 5 кА

Приборы сравнения (Энергомонитор 3.1КМ и Энегомонитор 3.3Т1)

Перспективные СИЭлектрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100

13

В разработанном преобразователе чувствительным элементом является центросимметричный кристалл длиной 40 мм (или 65 мм), расположенный по ходу распространения света. Исследованные кристаллы имеют электрическую прочность порядка 4 кВ/мм, поэтому для обеспечения безотказной работы допустимая напряженность поля в кристалле не должна превышать 1 кВ/мм. В настоящее время могут быть выращены кристаллы длинной

100–150 и более миллиметров, поэтому открываются широкие возможности для увеличения диапазона измеряемых напряжений.

Образец заготовки, из которой формируют

кристаллы нужной длины

НазначениеПреобразователь предназначен для масштабного преобразования мгновенных значений высоких переменных и импульсных напряжений в пропорциональные значения низкого напряжения. Он основан на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

Принцип действияЭффект электрогирации проявляется в появлении оптической активности центрально симметричных кристаллов под действием напряженности электрического поля измеряемого напряжения.

Электрооптический эффект электрогирации50 лет спустя14

История открытий в оптике

1845 год 1893 год 1964 год

Продольный магнитооптический

эффект Фарадея

Линейный электрооптический эффект Поккельса

Открыт эффект электрогирации,

одновременно исследованный японским ученым К. Аизу и

русским ученым И.С. Желудевым.

В 1969 году украинским ученым О.Г. Влохом были проведены экспериментальные работы

Электрооптический эффект электрогирации50 лет спустя

Эффект электрогирации заключается в возникновении или изменении оптической активности в кристаллах, находящихся в электрическом поле, которая вызывает поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его распространении через кристалл на угол, пропорциональный напряженности электрического поля и длине пути света в кристалле. Коэффициент пропорциональности равен постоянной электрогирации кристалла.

15

экран

кристаллэлектрод

масло

экран

электрод

Измеряемое напряжение

Корпус-изолятор

Поляризаторы

Линзы

Световоды

lU

UGldEG 2

1

— постоянная электрогирации кристалла;

E

— вектор напряженности электрического поля

ld

— элемент контура на промежутке между электродами

G

Перспективные СИЭлектрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100

16

экран

кристаллэлектрод

масло

экран

электрод

Измеряемое напряжение

Корпус-изолятор

Конструкция

Особенности конструкции: в преобразователе измеряемое напряжение прикладывается непосредственно к торцам центрально симметричного кристалла.

Преимущества конструкции:1)возможность измерениямежфазного напряжения; 2) отсутствие пьезоэффекта.Поляризаторы

Линзы

Световоды

ячейка электрогирации, входные электроды которой подключены к измеряемому напряжению,

электронный блок, формирующий нормированный выходной сигнал

оптически связывающие ячейку электрогирации с электронным

блоком и обеспечивающие гальваническую развязку

Перспективные СИ Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100

Технические характеристики (планируемые)

17

Номинальное значение измеряемого напряжения

35, 110 кВ

Рабочая частота 1 Гц … 10 кГцМодульная погрешность измерения

0,2–0,5 %

Угловая погрешность измерения

2 мин

Предварительные результаты испытанийИспытания проводились в лаборатории при н. у. 30.04.2014

Структурная схема преобразователя напряжения

Перспективные СИ Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,10018

Средства измерения высокого переменного напряжения

Uном = 35 кВ

ПВЕ 35 кВКл. 0,05

НЛЛКл. 0,1

ЭПР-МЭ-35Эксперимен-

тальный образец

Исполнение ИТН и ИТТ для работы в составе ЦПС19

Метрологическое обеспечение электронных (цифровых) трансформаторов тока и напряжения20

Комплекс средств поверки трансформаторов тока и напряжения «КСП-61850»

Многофункциональный эталонный прибор

«Энергомонитор-61850»

Высоковольтный измерительный

комплект поверки ИТН

Комплект поверки ИТТ

Перспективы серийного производства. Проект

Потенциального Заказчика или Инвестора в первую очередь интересуют следующие вопросы:стоимость и сроки выпуска оптических трансформаторов;затраты на НИОКР. Окупаемость проекта;необходимые мощности производства.

Опыт зарубежных компанийЭнергетикам известно о положительном опыте компаний ALSTOM (NXT) и ABB по разработке и производству оптических ИТН, ИТТ . Можно только догадываться о стоимости НИОКР и подготовки к серийному производству.

По экспертным оценкам средняя стоимость преобразователя тока МПР-МЭ-5 кА или напряжения ЭПР-МЭ-35 кВ на первом этапе составит 300 тыс. руб. с потенциалом снижения стоимости. Ориентировочный период окупаемости проекта — 3–5 лет.

21

Требования к производству:Площадь: 2000–3000 м2

Персонал: 100–150 человек

Планируемый годовой выпуск: 1000 ед.

Архангельский Владимир Борисовичк. т. н., ведущий специалист

Гиниятуллин Ильдар Ахатович директор ООО «НПП Марс-Энерго»www.mars-energo.ru

22

Engineering

Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь