Классические измерители тока, построенные на базе трансформаторов тока, отличаются значительными массогабаритными показателями, особенно для высоковольтных цепей электрического тока. Это приводит к большим материальным и временным затратам при производстве, монтаже и эксплуатации оборудования. Проблемы усугубляются высокими требованиями к пожарной и электрической безопасности такого рода приборов. Использование электрических трансформаторов тока приводит также и к значительным потерям электрической энергии.
Альтернативой электрическим трансформаторам тока в качестве первичных преобразователей являются волоконно-оптические преобразователи электрического тока или оптические трансформаторы тока. Появление последних стало возможным благодаря значительному прогрессу в оптоволоконной технике, в создании и производстве компактных и стабильных полупроводниковых лазеров, приемников оптического излучения и магниточувствительных оптических материалов.
Основная проблема электрических трансформаторов тока – электрическая изоляция измерительного оборудования от высоковольтных цепей – не возникает при использовании оптических трансформаторов тока, так как регистрация значений тока осуществляется с использованием диэлектрических волоконно-оптических линий и оптического датчика тока. По этой же причине устройства на базе оптических трансформаторов тока обладают высокой устойчивостью к внешним электрическим и магнитным помехам, резко уменьшаются габариты и масса устройств.
Использование современных волоконно-оптических линий с малым погонным затуханием позволяет поместить приемопередающую часть системы на большом удалении от измеряемой линии. Расстояние между оптическим датчиком тока, установленным на линию с измеряемым током, и приемопередающей частью устройства может достигать нескольких километров.
Существует множество конструкций оптических измерителей тока. Устройство большинства оптических измерителей тока соответствует следующей схеме (рис. 1): излучение с определенной поляризацией по световоду заводится в магниточувствительный элемент, где происходит изменение поляризации света под воздействием магнитного поля измеряемого тока – эффект Фарадея. Далее излучение по световоду доставляется к анализатору, где происходит регистрация изменения поляризации излучения. Фотоприемник преобразует оптические сигналы в электрические. В блоке электронной обработки происходит усиление электрических сигналов до необходимого уровня и аналого-цифровое преобразование. В микроконтроллере происходит интерпретация и обработка дискретного кода для получения абсолютных значений параметров тока для дальнейшей выдачи информации по внешним интерфейсам.
Традиционно излучатели выполняются на основе светодиодов и лазерных диодов с волоконным многомодовым или одномодовым выходом. В качестве магниточувствительных элементов обычно используются оптические элементы с большим коэффициентом Верде – этот коэффициент характеризует вращение плоскости поляризации света в магнитном поле. Большинство измерителей можно разделить на две группы: измерители с волоконным чувствительным элементом и измерители с чувствительным элементом на основе оптических кристаллов. Чувствительный элемент первой группы выполнен из специального оптического волокна, образующего многовитковый контур вокруг проводника с измеряемым электрическим током. Чувствительный элемент второй группы является магнитооптическим кристаллом, размещенным непосредственно на электрическом кабеле с измеряемым током. В качестве поляризатора и анализатора используются оптические призмы с эффектом двулучепреломления или поляризационные пленки. Фотоприемники выполняются на основе pin-диодов с волоконным вводом излучения.
Структурная схема разработанного трехканального оптического измерителя тока показана на рис. 1. В приборе в качестве оптического датчика тока используется кристалл редкоземельного феррит-граната, помещенного между поляризатором и анализатором.
Оптический датчик в диэлектрическом корпусе устанавливается на кабель и крепится двумя хомутами (рис. 2).
Рисунок 1 – Структурная схема разработанного оптического измерителя тока
Рисунок 2 – Внешний вид оптического датчика тока, закрепленного на электрическом кабеле
Лазерное излучение полупроводникового лазера ближнего ИК диапазона по одномодовому оптоволокну доставляется к оптическому датчику тока и затем к фотоприемнику, где оптический сигнал преобразуется в электрический. Далее происходит усиление и аналого-цифровое преобразование электрического сигнала с последующей цифровой обработкой.
Рисунок 3 – Внешний вид оптического измерителя тока
Основные преимущества системы контроля тока:
• Малые габариты, позволяющие устанавливать оборудование в существующие стойки
• Мощный лазер, что позволяет размещать датчики в колодцах транспозиции КЛ на удалении не менее 10 км от места установки модулей
• Пассивные датчики, не требующие электропитания
• Применение на цифровых подстанциях
Таблица 1 – Технические характеристики устройства
|
Характеристика
|
Значение
|
|
Каналы измерения тока
|
|
Количество каналов
|
3
|
|
Тип портов подключения датчиков тока
|
LC (одномодовое оптоволокно)
|
|
Максимальная длина оптоволоконной линии, км
|
до 5
|
|
Среднеквадратическое значение тока, А
|
до 1000
|
|
Частота, Гц
|
30…3000
|
|
Интерфейс связи Ethernet
|
|
Скорость обмена данными, Мбит/с
|
10 / 100
|
|
Тип разъема
|
RJ-45
|
|
Протоколы обмена данными
|
МЭК 60870-104; SV 61850-9-2 (опция)
|
|
Интерфейс связи RS-485
|
|
Скорость обмена данными, бит/с
|
до 115200
|
|
Протокол обмена
|
МЭК 870-5-101
|
|
Питание
|
|
Номинальное напряжение питания, В
|
24 (DC)
|
|
Рабочий диапазон напряжения питания, В
|
9 ÷ 58
|
|
Ток потребления (при 24 В), мА
|
100
|
|
Конструкция
|
|
Способ крепления
|
DIN-рейка 35 мм
|
|
Корпус
|
пластик IР20
|
|
Габаритные размеры модуля (ширина х высота х глубина), мм
|
22,5 x 99 x 117
|
|
Масса, кг
|
0,5
|
|
Условия эксплуатации и надежность
|
|
Рабочий температурный диапазон, 0С
|
от -40 до +70
|
|
Средняя наработка на отказ, часов
|
140000
|
|
Средний срок службы, лет
|
30
|
