A comprehensive analysis of the development prospects of optical current and voltage trans-formers in electric power systems has been carried out. These transformers represent a new class of products that use the latest advances in optics, electronics, digital signal processing and transmission systems
electric power systems, analysis, prospects, development, optical current and voltage transformers, digital signal processing and transmission
В настоящее время в России реализуется Национальный проект «Цифровая экономика Российской Федерации». В состав этого проекта входят федеральные проекты, в том числе «Цифровые технологии» [1, 2]. Одной из наиболее технологичных отраслей экономики является электроэнергетика, цифровизация которой повысит эффективность работы всех предприятий. Тренд на цифровизацию приводит к постепенной трансформации объектов электроэнергетики в интеллектуальные структуры, в так называемые интеллектуальные энергетические системы (ИЭС) или Smart Grid (интеллектуальные сети) [3]. Признаками интеллектуальности для энергетической системы являются:
- обеспечение заданного контроля состояния всех подсистем;
- самодиагностика и выдача прогнозов по дальнейшим действиям в случае появления развивающегося аварийного режима;
- обеспечение всех режимов управления своими устройствами регулирования с полным контролем правильности исполнения команд.
Обеспечение контроля и управления невозможно без наличия актуальных и полных данных по режимам работы электроустановок. Базовыми данными для этого являются величины токов и напряжений в точках контроля режимных параметров. Сигналы тока и напряжения традиционно получают от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) [4-7]. Эксплуатируемые на большинстве объектов электроэнергетики ТТ и ТН по принципу своего действия относятся к электромагнитным или емкостным и имеют ряд существенных недостатков:
- большие размеры и большой вес для высоких классов напряжения 110, 220, 330, 500, 750 кВ и, как следствие, большая стоимость;
- возможность пробоя изоляции ввиду наличия металлических частей;
- возможность повреждения изоляции при перенапряжениях в сети;
- повышенная пожаро- и взрывоопасность ввиду наличия масла, бумаги;
- необходимость обслуживания, проверки и замены масла, элегаза или азота;
- необходимость обслуживания и поверки ТТ после аварийного режима из-за остаточной намагниченности магнитопровода;
- отсутствие цифрового интерфейса, ухудшение точности измерения вследствие передачи сигнала по аналоговым линиям, дополнительные затраты на оцифровку сигнала.
Для устранения этих недостатков в последние годы начали активно развиваться новые оптические методы измерения тока и напряжения, в первую очередь, основанные на магнитооптическом эффекте Фарадея и электрооптическом эффекте Поккельса. Принцип работы этих устройств, разрабатываемых на основе этих эффектов, так называемых оптических трансформаторов тока и напряжения, основан на эффекте магнитного поля, которое взаимодействует со светом. Изменение тока и напряжения влияет на магнитное поле, что вызывает изменение интенсивности света, проходящего через оптоволокно. В трансформаторе находится оптоволоконный кабель, по которому передается световой сигнал.
Существует несколько иностранных и отечественных фирм, которые производят подобные оптические трансформаторы, например, представленные на рисунке 1.
Эти приборы, обладают рядом преимуществ перед традиционными средствами измерения токов и напряжений:
- небольшой вес, размеры;
- высокая электрическая прочность изоляции, пожаро- и взрывобезопасность;
- отсутствие масла, элегаза, азота, что упрощает эксплуатацию оборудования;
- отсутствие магнитопровода в конструкции, что приводит к увеличению стабильности метрологических характеристик;
- широкий динамический диапазон измеряемых токов и напряжений (от единиц до нескольких тысяч вольт и ампер);
- широкий частотный диапазон измерений, возможность анализа переходных процессов и измерения гармонических составляющих тока и напряжения для регистрации показателей качества электроэнергии;
- цифровой интерфейс, простота интеграции с микропроцессорными модулями современных цифровых устройств защиты и учета электроэнергии, соответствие стандарту IEC 61850 в интеллектуальных энергетических системах;
- передача данных на большие расстояния: оптические волокна могут передавать сигнал на расстояния до сотен километров, что идеально подходит для распределенных энергетических систем;
- уменьшение затрат на инфраструктуру: позволяет сократить затраты на прокладку кабелей, так как волокна легче и компактнее;
- неподверженность внешним воздействиям: оптические датчики не подвержены коррозии и могут работать в агрессивных средах, что увеличивает их долговечность.
Рисунок 1 – Комбинированные оптические трансформаторы тока и напряжения NXTPhase (слева) и АВВ (справа) на классы напряжения 110-550 кВ.
Ветряные и солнечные электрические станции также активно используют оптические измерительные трансформаторы. Их применение позволяет более эффективно контролировать выработку электроэнергии, а также управлять распределением энергии в сети, снижая потери и увеличивая общую производительность [8].
Кроме того, оптические трансформаторы играют ключевую роль в интеллектуальных энергетических системах (Smart Grid), обеспечивая интеграцию с IoT-устройствами для анализа и управления в реальном времени. Это не только позволяет собирать актуальную информацию и проводить мониторинг, но и снижает затраты на обслуживание и эксплуатацию энергообъектов. Также они находят применение в системах управления нагрузкой и оптимизации электрических сетей, что делает их важным элементом в модернизации энергетической инфраструктуры. Использование таких технологий способствует созданию более устойчивых и эффективных энергетических решений, отвечая требованиям современных систем энергообеспечения и устойчивого развития.
Внедрение оптических измерительных трансформаторов обеспечивает экономическую эффективность, заключающуюся в снижении эксплуатационных затрат благодаря долговечности и низким затратам на обслуживание и в оптимизации работы электросетей и уменьшению потерь. Цифровые системы управления способны на основе данных в режиме реального времени предсказывать изменения в нагрузке и адаптировать режим работы сетей, что позволит значительно повысить эффективность электроэнергетики. Внедрение искусственного интеллекта и машинного обучения в анализ данных, получаемых от оптических первичных датчиков, откроет новые горизонты в управлении электроэнергетическими системами.
Оптические трансформаторы тока и напряжения представляют собой новый класс изделий, использующих последние достижения в оптике, электронике, системах цифровой обработки и передачи сигналов. Оптические трансформаторы представляют собой современные устройства для измерения и контроля тока и напряжения в электрических сетях с использованием оптических технологий. Они обладают высокой точностью, стабильностью и надежностью, что делает их важными компонентами в системах электроснабжения Уникальные свойства волоконно-оптических измерительных трансформаторов (компактность, небольшой вес, полная гальваническая развязка) позволяют использовать эти устройства на открытых распределительных устройствах ОРУ 110-750 кВ в составе автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) и систем релейной защиты, в мобильных передвижных метрологических лабораториях, на прочих энергетических объектах. Применение оптических трансформаторов тока и напряжения позволит облегчить и ускорить создание интеллектуальных энергосистем, так как они имеют цифровые интерфейсы, которые полностью совместимы с существующими и проектируемыми системами на базе стандартов IEC 61850.
1. Cifrovaya ekonomika RF. Sayt Ministerstva cifrovogo razvitiya, svyazi i massovyh kommunikaciy Rossiyskoy Fe-deracii. [Elektronnyy resurs] Rezhim do-stupa: https://digital.gov.ru/ru/activity/directions/858/. (data obrascheniya: 27.10.2024)
2. Konovalov Yu.V. Tendencii razvitiya mirovoy energetiki v sovremennyh usloviyah / Yu.V. Konovalov, N.V. Buyakova, A.A. Terehova, N.K. Malinin, A.S. Huhryanskaya // Sb. nauchn. tr. AnGTU. – Angarsk. – 2024. № 21. – S. 302-307.
3. Golovanov, I.G. Povyshenie nadezhnosti funkcionirovaniya sistem re-leynoy zaschity i protivoavariynoy avtomatiki sistem elektrosnabzheniya / I.G. Golovanov, E.V. Zhabin // Vestnik Angarskoy gosudarstvennoy tehnicheskoy akademii. 2013. № 7. – S. 56-59.
4. GOST R MEK 60044-7 – 2010 Transformatory izmeritel'nye: Chast' 7. Elektronnye transformatory napryazhe-niya. – Moskva. Standartinform. – 2012. 57 s.
5. GOST R MEK 60044-8 – 2010 Transformatory izmeritel'nye: Chast' 8. Elektronnye transformatory toka. – Moskva. Standartinform. – 2012. 101 s.
6. Golovanov, I.G. Osobennosti rascheta nadezhnosti slozhnyh elektroenergeticheskih sistem / I.G. Golovanov, A.V. Verveyn, R.O. Popkov // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universitet. 2015. T. 1. № 1. – S. 72-79.
7. Pravila ustroystva elektroustanovok. Izdanie sed'moe. Utverzhdeny Prikazom Minenergo Rossii ot 08.07.2002 g. [Elektronnyy resurs] Rezhim dostupa: http://file:///C:/Users/UrHom/Documents/PUE-7.-Pravila-ustroystva-elektroustanovok.pdf (data obrascheniya: 27.10.2024)/
8. Konovalov, Yu.V. Obzor perspektivnyh tehnologiy elektromehanicheskih sistem raspredelennoy generacii v usloviyah Sibiri / Yu.V. Konovalov, E.V. Gubiy // Povyshenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v usloviyah Sibiri. Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. 2022. – S. 50-54.
