In accordance with the trend of digitalization of the electric power industry, the advantages and disadvantages of digital current and voltage transformers compared to analog ones, their de-sign features and implementation principles are considered
digital current transformer, high voltage, digital voltage transformer, digitalization
Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных установок, требуется контролировать параметры тока и напряжения. Снимать показания при высоком напряжении – опасно и неэффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока (ТТ), у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки [1].
Основная задача токовых трансформаторов понизить значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.
Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2.
Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.
На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.
В последнее время появилось множество цифровых устройств, используемых в электроэнергетике: высоковольтные цифровые трансформаторы тока и трансформаторы напряжения (ТН); первичное и вторичное оборудование со встроенными коммуникационными портами; микропроцессорные контроллеры, системы релейной защиты и автоматики (РЗиА) и так далее.
Всё это создает предпосылки для построения цифровой подстанции, в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме [1].
Согласно общей стратегии развития всей энергосистемы нашей страны довольно скоро все подстанции должны реконструировать под цифровой формат. А для этого требуется заменить старые (но при этом надежные) аналоговые трансформаторы тока и трансформаторы напряжения на их цифровые аналоги.
Аналоговые ТТ и ТН довольно проблематично интегрировать в единую сеть мониторинга и контроля, да и точность измерения уже не отвечает современным стандартам и требованиям. Поэтому замена аналоговых преобразователей на оптические это вопрос времени и финансирования.
Измерительный преобразователь тока и напряжения предназначен для измерения и передачи параметров тока и напряжения приборам измерения, учета, защиты, автоматики, сигнализации и управления в сетях переменного и постоянного тока на номинальное напряжение 6(10) – 110 кВ с частотой 50 или 60 Гц.
Передача данных может организовываться по оптическим кабелям в соответствии с протоколом IEC 61850-9-2 или по медным кабелям в виде аналогового сигнала. Измерительные преобразователи тока и напряжения имеют несколько первичных преобразователей тока и напряжения, измерительная информация с которых предназначена для различных устройств – потребителей (РЗиА, автоматизированных информационно-измерительных систем контроля и учета электроэнергии (АИИС КУЭ)).
Принцип работы цифровых трансформаторов тока и напряжения основан на использовании эффекта Фарадея, согласно которому при распространении линейно-поляризованного света, находящегося в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. И использовании эффекта Поккельса, согласно которому происходит изменение угла преломления и поляризации под непосредственным воздействием электрического поля. Или другими словами: в зависимости от угла отклонения луча электроника высчитывает протекающий ток с учетом всех существующих погрешностей [2].
Электронный блок на первичной стороне преобразует выходные сигналы соответствующих первичных преобразователей в цифровой сигнал, далее выполняет формирование пакетов данных и передачу их по оптическим кабелям электронным блокам на вторичной стороне. Электронный блок на вторичной стороне обрабатывает полученные пакеты данных и отправляет их по оптическому кабелю устройствам релейной защиты, автоматики, коммерческого учета электроэнергии и другим устройствам подстанции.
Трансформаторы конструктивно состоят из следующих компонентов:
1) первичные преобразователи напряжения переменного и постоянного тока;
2) первичные преобразователи силы переменного и постоянного тока;
3) электронный блок на стороне высокого напряжения (для исполнений от 35 кВ и выше);
4) электронный блок на стороне низкого напряжения.
Первичные преобразователи напряжения переменного и постоянного тока представляют собой делитель напряжения, содержащий высоковольтное и низковольтное плечи. Первичный преобразователь напряжения переменного и постоянного тока обеспечивает преобразование высокого напряжения переменного и постоянного тока в низкое напряжение переменного и постоянного тока для дальнейшего преобразования его в цифровую форму электронным блоком.
Первичные преобразователи силы переменного и постоянного тока представляют собой малогабаритный трансформатор тока, пояс Роговского и датчик постоянного тока (опция). Малогабаритный трансформатор тока предназначен для передачи информации устройствам коммерческого учета электроэнергии, а пояс Роговского и датчик постоянного тока – устройствам релейной защиты и автоматики.
Электронные блоки выполняют преобразование выходных сигналов первичных преобразователей силы и напряжения переменного и постоянного тока в цифровой сигнал, его обработку и передачу измеренных значений силы и напряжения переменного тока устройствам релейной защиты, автоматики, коммерческого учета электроэнергии и другим устройствам на подстанции в соответствии с протоколом IEC 61850-9-2 (протокол передачи может быть изменен либо дополнен другим протоколом по требованию заказчика). На выходе трансформаторы формируют несколько потоков измерений мгновенных значений силы тока и напряжения со следующими частотами дискретизации:
1) 4000 Гц (80 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц) – для устройств релейной защиты и автоматики;
2) 12800 Гц (256 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц) – для устройств коммерческого учета электроэнергии.
Трансформаторы также могут формировать потоки измеренных мгновенных значений со следующими частотами дискретизации (опция):
1) 4800 Гц (96 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц и 80 отчетов на период промышленной частоты 60 Гц);
2) 15360 Гц (256 отчетов на период промышленной частоты 60 Гц);
3) 14400 Гц (288 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц и 240 отчетов на период промышленной частоты 60 Гц);
4) 96000 Гц – для целей учета электроэнергии и РЗиА в сетях постоянного тока [3].
Частота дискретизации может быть изменена по требованию заказчика, но не должна превышать 96 000 Гц.
Опционально цифровые трансформаторы тока и напряжения могут выдавать дополнительную служебную информацию о параметрах измеряемых электрических сигналов и передаваемой электрической энергии, а также служебную информацию, отражающую состояние цифрового трансформатора.
Синхронизация электронных блоков с системой точного времени осуществляется по внешнему стробирующему сигналу 1PPS или данным синхронизации по протоколу PTP. Выбор типа синхронизации производится по требованию заказчика.
Цифровые трансформаторы тока и напряжения могут выпускаться в резервированном исполнении, при этом на стороне высокого напряжения размещают два комплекта первичных измерительных преобразователей тока, установленных на одной изоляционной колонне. Делитель напряжения также может исполняться в резервированном исполнении, при этом в изоляционной колонне устанавливаются два и более высоковольтных делителя. Передача информации от цифровых трансформаторов тока и напряжения также может резервироваться по протоколам PRP и HSR [4].
В большинстве случаев цифровые трансформаторы тока и напряжения представляют собой оптическую колонну, внутри которой располагается оптический сенсор, который представляет из себя фиксированное количество витков оптоволокна. Они размещены перпендикулярно шине и по ним проходит первичный ток. При этом нет никакого физического контакта шины и сенсора. Далее волокна проходят через полимерный изолятор на оптический кросс, размещенный в нижней полости колонны. Далее сигнал отправляется в цифровом виде по общей шине в блок электроники, который устанавливается на опорно-поворотные устройства.
При этом удаленность самого цифрового трансформатора тока и напряжения от блока электроники не должно превышать расстояние в 1300 метров.
По сравнению с аналоговыми преобразователями оптические ТТ и ТН обладают следующими преимуществами:
1. Достаточно широкий канал измерений при высокой термической и электродинамической стойкости.
2. Высокая линейность.
3. Полное отсутствие таких явлений как насыщение, гистерезис, остаточное и необратимое изменение параметров после перегрузки (короткого замыкания).
4. Отсутствует резонанс.
5. Широчайший частотный диапазон, который позволяет выполнять анализ гармоник напряжения и тока в высоковольтной цепи.
6. Полностью исключено воздействие нагрузки вторичных цепей и потерь в них.
7. Повышенная устойчивость оптоволоконных каналов к внешним электромагнитным помехам.
8. Меньший вес и габарит по сравнению с аналоговыми образцами.
9. Так как в конструкции нет ни масла, ни газа, ни бумаги, то такие ТТ обладают повышенными показателями безопасности.
Пожалуй, единственным минусом можно назвать пока еще довольно высокую стоимость этих изделий.
Несомненно, за оптическими измерительными приборами - будущее, и наступит то время, когда абсолютно все станции и подстанции будут соединены в общую единую сеть. Цифровизация позволяет управлять более сложными энергосистемами, способствуя развитию широкого спектра новых технологий.
Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных установок, требуется контролировать параметры тока и напряжения. Снимать показания при высоком напряжении – опасно и неэффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока (ТТ), у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки [1].
Основная задача токовых трансформаторов понизить значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.
Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2.
Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.
На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.
В последнее время появилось множество цифровых устройств, используемых в электроэнергетике: высоковольтные цифровые трансформаторы тока и трансформаторы напряжения (ТН); первичное и вторичное оборудование со встроенными коммуникационными портами; микропроцессорные контроллеры, системы релейной защиты и автоматики (РЗиА) и так далее.
Всё это создает предпосылки для построения цифровой подстанции, в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме [1].
Согласно общей стратегии развития всей энергосистемы нашей страны довольно скоро все подстанции должны реконструировать под цифровой формат. А для этого требуется заменить старые (но при этом надежные) аналоговые трансформаторы тока и трансформаторы напряжения на их цифровые аналоги.
Аналоговые ТТ и ТН довольно проблематично интегрировать в единую сеть мониторинга и контроля, да и точность измерения уже не отвечает современным стандартам и требованиям. Поэтому замена аналоговых преобразователей на оптические это вопрос времени и финансирования.
Измерительный преобразователь тока и напряжения предназначен для измерения и передачи параметров тока и напряжения приборам измерения, учета, защиты, автоматики, сигнализации и управления в сетях переменного и постоянного тока на номинальное напряжение 6(10) – 110 кВ с частотой 50 или 60 Гц.
Передача данных может организовываться по оптическим кабелям в соответствии с протоколом IEC 61850-9-2 или по медным кабелям в виде аналогового сигнала. Измерительные преобразователи тока и напряжения имеют несколько первичных преобразователей тока и напряжения, измерительная информация с которых предназначена для различных устройств – потребителей (РЗиА, автоматизированных информационно-измерительных систем контроля и учета электроэнергии (АИИС КУЭ)).
Принцип работы цифровых трансформаторов тока и напряжения основан на использовании эффекта Фарадея, согласно которому при распространении линейно-поляризованного света, находящегося в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. И использовании эффекта Поккельса, согласно которому происходит изменение угла преломления и поляризации под непосредственным воздействием электрического поля. Или другими словами: в зависимости от угла отклонения луча электроника высчитывает протекающий ток с учетом всех существующих погрешностей [2].
Электронный блок на первичной стороне преобразует выходные сигналы соответствующих первичных преобразователей в цифровой сигнал, далее выполняет формирование пакетов данных и передачу их по оптическим кабелям электронным блокам на вторичной стороне. Электронный блок на вторичной стороне обрабатывает полученные пакеты данных и отправляет их по оптическому кабелю устройствам релейной защиты, автоматики, коммерческого учета электроэнергии и другим устройствам подстанции.
Трансформаторы конструктивно состоят из следующих компонентов:
1) первичные преобразователи напряжения переменного и постоянного тока;
2) первичные преобразователи силы переменного и постоянного тока;
3) электронный блок на стороне высокого напряжения (для исполнений от 35 кВ и выше);
4) электронный блок на стороне низкого напряжения.
Первичные преобразователи напряжения переменного и постоянного тока представляют собой делитель напряжения, содержащий высоковольтное и низковольтное плечи. Первичный преобразователь напряжения переменного и постоянного тока обеспечивает преобразование высокого напряжения переменного и постоянного тока в низкое напряжение переменного и постоянного тока для дальнейшего преобразования его в цифровую форму электронным блоком.
Первичные преобразователи силы переменного и постоянного тока представляют собой малогабаритный трансформатор тока, пояс Роговского и датчик постоянного тока (опция). Малогабаритный трансформатор тока предназначен для передачи информации устройствам коммерческого учета электроэнергии, а пояс Роговского и датчик постоянного тока – устройствам релейной защиты и автоматики.
Электронные блоки выполняют преобразование выходных сигналов первичных преобразователей силы и напряжения переменного и постоянного тока в цифровой сигнал, его обработку и передачу измеренных значений силы и напряжения переменного тока устройствам релейной защиты, автоматики, коммерческого учета электроэнергии и другим устройствам на подстанции в соответствии с протоколом IEC 61850-9-2 (протокол передачи может быть изменен либо дополнен другим протоколом по требованию заказчика). На выходе трансформаторы формируют несколько потоков измерений мгновенных значений силы тока и напряжения со следующими частотами дискретизации:
1) 4000 Гц (80 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц) – для устройств релейной защиты и автоматики;
2) 12800 Гц (256 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц) – для устройств коммерческого учета электроэнергии.
Трансформаторы также могут формировать потоки измеренных мгновенных значений со следующими частотами дискретизации (опция):
1) 4800 Гц (96 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц и 80 отчетов на период промышленной частоты 60 Гц);
2) 15360 Гц (256 отчетов на период промышленной частоты 60 Гц);
3) 14400 Гц (288 отчетов на период промышленной частоты 50 Гц и 240 отчетов на период промышленной частоты 60 Гц);
4) 96000 Гц – для целей учета электроэнергии и РЗиА в сетях постоянного тока [3].
Частота дискретизации может быть изменена по требованию заказчика, но не должна превышать 96 000 Гц.
Опционально цифровые трансформаторы тока и напряжения могут выдавать дополнительную служебную информацию о параметрах измеряемых электрических сигналов и передаваемой электрической энергии, а также служебную информацию, отражающую состояние цифрового трансформатора.
Синхронизация электронных блоков с системой точного времени осуществляется по внешнему стробирующему сигналу 1PPS или данным синхронизации по протоколу PTP. Выбор типа синхронизации производится по требованию заказчика.
Цифровые трансформаторы тока и напряжения могут выпускаться в резервированном исполнении, при этом на стороне высокого напряжения размещают два комплекта первичных измерительных преобразователей тока, установленных на одной изоляционной колонне. Делитель напряжения также может исполняться в резервированном исполнении, при этом в изоляционной колонне устанавливаются два и более высоковольтных делителя. Передача информации от цифровых трансформаторов тока и напряжения также может резервироваться по протоколам PRP и HSR [4].
В большинстве случаев цифровые трансформаторы тока и напряжения представляют собой оптическую колонну, внутри которой располагается оптический сенсор, который представляет из себя фиксированное количество витков оптоволокна. Они размещены перпендикулярно шине и по ним проходит первичный ток. При этом нет никакого физического контакта шины и сенсора. Далее волокна проходят через полимерный изолятор на оптический кросс, размещенный в нижней полости колонны. Далее сигнал отправляется в цифровом виде по общей шине в блок электроники, который устанавливается на опорно-поворотные устройства.
При этом удаленность самого цифрового трансформатора тока и напряжения от блока электроники не должно превышать расстояние в 1300 метров.
По сравнению с аналоговыми преобразователями оптические ТТ и ТН обладают следующими преимуществами:
1. Достаточно широкий канал измерений при высокой термической и электродинамической стойкости.
2. Высокая линейность.
3. Полное отсутствие таких явлений как насыщение, гистерезис, остаточное и необратимое изменение параметров после перегрузки (короткого замыкания).
4. Отсутствует резонанс.
5. Широчайший частотный диапазон, который позволяет выполнять анализ гармоник напряжения и тока в высоковольтной цепи.
6. Полностью исключено воздействие нагрузки вторичных цепей и потерь в них.
7. Повышенная устойчивость оптоволоконных каналов к внешним электромагнитным помехам.
8. Меньший вес и габарит по сравнению с аналоговыми образцами.
9. Так как в конструкции нет ни масла, ни газа, ни бумаги, то такие ТТ обладают повышенными показателями безопасности.
Пожалуй, единственным минусом можно назвать пока еще довольно высокую стоимость этих изделий.
Несомненно, за оптическими измерительными приборами - будущее, и наступит то время, когда абсолютно все станции и подстанции будут соединены в общую единую сеть. Цифровизация позволяет управлять более сложными энергосистемами, способствуя развитию широкого спектра новых технологий.
1. Afanas'ev V.V. Transformatory toka i napryazheniya / V.V. Afanas'ev. - M. Energoprogress, 2015. - 275 s.
2. Nagay V.I. Vysokovol'tnye opticheskie preobrazovateli dlya sistem izmereniya i analiza kachestva elektricheskoy energii / V.I. Nagay. - M.: Energoatomizdat, 2002. - 312 s.
3. Gurevich V.I. Optoelektronnye transformatory toka: panaceya ili chastnoe reshenie chastnyh problem? // Vesti v elektroenergetike, 2010. № 2. S. 35-37
4. Grechuhin V.N. Elektronnye transformatory toka i napryazheniya. Sostoyanie, perspektivy razvitiya i vnedreniya na ORU 110-750 kV stanciy i podstanciy energosistem // Vestnik IGEU, 2006. № 4. S. 56-59.
