Оптический измерительный трансформатор

Оптический измерительный трансформатор (также оптоэлектронный трансформатор напряжения или тока) — это устройство, предназначенное для преобразования высокого напряжения или большого тока в электрических сетях в стандартизированные низковольтные сигналы, пригодные для измерения, учёта и релейной защиты, в котором чувствительный элемент и линия передачи сигнала основаны на оптических принципах (эффект Фарадея, эффект Поккельса, интерферометрия), а не на традиционной электромагнитной индукции.

Оптические измерительные трансформаторы (ОИТ) относятся к классу цифровых измерительных трансформаторов и являются альтернативой традиционным электромагнитным трансформаторам напряжения (ТН) и тока (ТТ). Их применение позволяет повысить точность измерений, расширить динамический диапазон, улучшить гальваническую развязку и снизить массогабаритные показатели оборудования на подстанциях высокого напряжения.

История

Первые теоретические работы по использованию оптических эффектов для измерения электрических величин относятся к середине XX века. Практическое развитие технологии началось в 1970-х годах с появлением волоконно-оптических линий связи и полупроводниковых лазеров. Однако коммерчески жизнеспособные образцы ОИТ появились только в 1990-х — 2000-х годах, когда были решены проблемы термостабильности чувствительных элементов и вибрационной устойчивости.

В России разработкой и внедрением ОИТ занимаются такие организации, как АО «НПП «Электроаппарат» (Санкт-Петербург), ООО «Энергомаш-Оптика» и ряд научно-исследовательских институтов (НИИ электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова). Первые промышленные образцы российских оптических трансформаторов тока были испытаны на подстанциях ПАО «ФСК ЕЭС» (ныне ПАО «Россети») в конце 2000-х годов.

Принцип действия

В основе работы оптических измерительных трансформаторов лежат два основных физических явления:

Эффект Фарадея (для трансформаторов тока)

Магнитное поле, создаваемое измеряемым током, вызывает вращение плоскости поляризации линейно-поляризованного света, проходящего через оптически активный материал (например, стекло с примесями висмута или кристалл иттрий-железного граната). Угол поворота пропорционален интегралу напряжённости магнитного поля вдоль пути света, что при определённой геометрии (замкнутый контур вокруг проводника) прямо пропорционален измеряемому току. Свет от источника (полупроводникового лазера или светодиода) проходит через поляризатор, затем через чувствительный элемент, после чего анализатор преобразует изменение поляризации в изменение интенсивности света, регистрируемое фотодетектором.

Эффект Поккельса (для трансформаторов напряжения)

Электрическое поле, приложенное к кристаллу (например, ниобата лития LiNbO₃ или дигидрофосфата калия KDP), вызывает изменение его показателя преломления, пропорциональное напряжённости поля. Линейно-поляризованный свет, проходя через такой кристалл, приобретает разность фаз между двумя ортогональными компонентами, которая преобразуется в изменение интенсивности с помощью анализатора. Это изменение интенсивности пропорционально приложенному напряжению.

В обоих случаях оптический сигнал передаётся по волоконно-оптическому кабелю от высоковольтного потенциала к низковольтному блоку обработки, где происходит фотоэлектрическое преобразование и цифровая обработка сигнала (часто с использованием аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера). Выходной сигнал обычно выдаётся в цифровом формате (стандарт IEC 61850-9-2 LE, протоколы Ethernet) или в виде аналогового сигнала (например, 0-10 В или 4-20 мА).

Классификация

Оптические измерительные трансформаторы классифицируются по измеряемой величине и конструктивному исполнению:

По измеряемой величине

• Оптические трансформаторы тока (ОТТ) — измеряют переменный или постоянный ток. Могут быть выполнены как проходные (проводник пропускается через центральное отверстие чувствительного элемента) или шинные (чувствительный элемент встраивается в токоведущую шину).
• Оптические трансформаторы напряжения (ОТН) — измеряют переменное или постоянное напряжение. Обычно представляют собой ёмкостный делитель напряжения, в котором часть напряжения прикладывается к кристаллу с эффектом Поккельса.
• Комбинированные оптические трансформаторы (КОТ) — объединяют в одном корпусе датчики тока и напряжения, что позволяет измерять мощность и угол сдвига фаз.

По конструктивному исполнению

• Свободностоящие — устанавливаются на отдельном фундаменте или портале, аналогично традиционным трансформаторам.
• Встраиваемые — монтируются непосредственно в высоковольтные вводы, силовые трансформаторы или выключатели, что существенно экономит место на подстанции.
• Оптоволоконные датчики тока (OFCS — Optical Fiber Current Sensor) — чувствительный элемент выполнен в виде отрезка оптоволокна, намотанного вокруг проводника. Используют эффект Фарадея в самом волокне.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая точность и широкий динамический диапазон: ОИТ способны измерять токи от единиц ампер до сотен килоампер и напряжения от сотен вольт до сотен киловольт с классом точности 0.2S и выше, без насыщения магнитопровода.
• Отсутствие феррорезонанса: в отличие от электромагнитных ТН, ОИТ не подвержены феррорезонансным явлениям, что повышает надёжность работы релейной защиты.
• Гальваническая развязка: оптическая линия связи обеспечивает полную электрическую изоляцию между высоковольтной частью и вторичным оборудованием, что повышает безопасность персонала.
• Малые масса и габариты: чувствительный элемент ОИТ значительно легче и компактнее традиционных трансформаторов, особенно на классы напряжения 110 кВ и выше.
• Широкий частотный диапазон: ОИТ могут измерять как постоянный ток (для линий HVDC), так и высокочастотные гармоники до десятков килогерц.
• Цифровой выход: упрощает интеграцию с современными системами автоматизации подстанций (АСУ ТП, РЗА).

Недостатки

• Высокая стоимость: на текущий момент ОИТ значительно дороже традиционных трансформаторов (в 2-5 раз), что ограничивает их массовое внедрение.
• Чувствительность к внешним факторам: точность измерений может снижаться из-за вибраций, температурных градиентов, загрязнения оптических поверхностей и механических напряжений в волокне.
• Сложность юстировки: требуется точная настройка оптической системы и стабилизация температуры чувствительного элемента.
• Ограниченный срок службы полупроводниковых источников света: лазерные диоды и светодиоды имеют ограниченный ресурс (обычно 50 000-100 000 часов), что требует периодической замены.
• Необходимость во вторичном источнике питания: для работы фотодетекторов и электроники обработки требуется низковольтное питание, что усложняет схему по сравнению с пассивными электромагнитными ТТ.

Применение

Оптические измерительные трансформаторы применяются в следующих областях электроэнергетики:

• Высоковольтные подстанции (110 кВ и выше): для коммерческого учёта электроэнергии (АИИС КУЭ), релейной защиты и противоаварийной автоматики.
• Линии электропередачи постоянного тока (HVDC): где традиционные ТТ не могут измерять постоянную составляющую тока.
• Распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ): где компактность ОИТ позволяет уменьшить размеры ячеек.
• Подстанции с цифровыми системами управления: где прямой цифровой выход ОИТ исключает необходимость в дополнительных аналого-цифровых преобразователях.
• Промышленные предприятия: для измерения токов в электролизных ваннах, дуговых сталеплавильных печах и других установках с большими токами (до 500 кА).
• Научные исследования: в физике высоких энергий и термоядерных установках (например, токамаки) для измерения импульсных токов.

Производители

На мировом рынке оптических измерительных трансформаторов представлены следующие компании:

• ABB (Швеция/Швейцария) — серия OET (Optical Electronic Transformer) для напряжения до 550 кВ.
• Siemens (Германия) — оптические трансформаторы тока серии SITRANS F.
• NxtPhase (Канада) — комбинированные оптические трансформаторы до 765 кВ.
• Trench Group (Австрия) — оптические датчики тока и напряжения.
• АО «НПП «Электроаппарат» (Россия) — оптические трансформаторы тока и напряжения серии ОТТ и ОТН на классы напряжения 35-220 кВ.
• ООО «Энергомаш-Оптика» (Россия) — комбинированные оптические трансформаторы для КРУЭ.

Перспективы развития

Основные направления совершенствования оптических измерительных трансформаторов включают:

• Снижение стоимости за счёт автоматизации сборки и использования более дешёвых оптических компонентов.
• Повышение термостабильности с помощью новых кристаллических материалов и методов температурной компенсации (например, использование волоконных брэгговских решёток).
• Разработка полностью волоконных датчиков (all-fiber), в которых чувствительным элементом является само оптоволокно, что упрощает конструкцию и снижает стоимость.
• Интеграция с системами Интернета вещей (IoT) и облачными платформами для удалённого мониторинга и предиктивной диагностики.
• Создание оптических трансформаторов для сверхвысоких напряжений (750 кВ и выше).

Ожидается, что по мере снижения стоимости и повышения надёжности ОИТ будут постепенно вытеснять традиционные электромагнитные трансформаторы на новых подстанциях, особенно в сегменте высоких и сверхвысоких напряжений.

Источники

1. ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 7. Электронные трансформаторы напряжения».
2. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока».
3. IEC 61850-9-2:2011 «Communication networks and systems for power utility automation — Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) — Sampled values over ISO/IEC 8802-3».
4. Кадомский К. Д., Козлов В. А. «Оптические измерительные трансформаторы тока и напряжения» // Электричество. — 2015. — № 4. — С. 12-18.
5. Техническая документация АО «НПП «Электроаппарат» на оптические трансформаторы тока серии ОТТ-110.
6. Балаков Ю. Н., Мисриханов М. Ш., Шунтов А. В. «Проектирование цифровых подстанций» — М.: Энергоатомиздат, 2018.
7. Смирнов С. С. «Волоконно-оптические датчики тока для энергетики» // Светотехника. — 2020. — № 3. — С. 45-52.