Digital Substation Product

1. НАУЧНО-
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ
ПРЕДПРИЯТИЕ
Магнитооптический измерительный
преобразователь тока
и электрооптический измерительный
преобразователь напряжения
© «НПП Марс-Энерго», Санкт-Петербург, 2014

2. Содержание
2
1. Актуальность задачи
2. Потребность на рынке электроэнергетики
3. Проблемы внедрения.
Варианты технических решений
4. Магнитооптический измерительный
преобразователь тока
5. Электрооптический измерительный
преобразователь напряжения
6. Исполнение для работы в составе ЦПС
7. Перспективы серийного производства

3. 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?

4. Потенциальный спрос на рынке
электроэнергетики
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 ПС
Уровень напряжения, кВ
Количество ПС,
шт
Распределительные ПС
3/6/10–220
460 081
Магистральные ПС
Выше 220
891
Тип трансформатора
Ориентировочная
стоимость, тыс. руб.
ИТТ 300/5 ÷ 4000/5
кл . напряжения 35 кВ
40 ÷ 70
ИТН
кл. 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.)

5. Проблемы внедрения
оптических трансформаторов
на кл. напряжения ниже 110 кВ
5
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.

6. 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

7. Варианты решения
7
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.
Класс
35 кВ
Отсутствуют
предложения
…
0-6-10-15-35 110 220 330 500 750 напряжения, кВ

8. Магнитооптический измерительный
преобразователь тока и электрооптический
измерительный преобразователь напряжения
8
В «НПП Марс-Энерго» разрабатываются:
магнитооптический измерительный
преобразователь переменного тока,
основанный на использовании
магнитооптического эффекта Фарадея,
и
электрооптический измерительный
преобразователь переменного
напряжения, основанный на
использовании электрооптического
эффекта электрогирации.

9. Магнитооптический измерительный
преобразователь тока и электрооптический
измерительный преобразователь напряжения
9
Структурная схема универсального
измерительного преобразователя
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
На рисунке приведена упрощенная структурная
схема универсального измерительного
преобразователя, который в зависимости от
используемого чувствительного элемента может
использоваться для измерения тока или
напряжения.

10. Перспективные СИ
Магнитооптический измерительный преобразователь
переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5
10
Назначение
Преобразователь, 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 действия
Эффект Фарадея проявляется в повороте плоскости
поляризации линейно поляризованного света.
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 шумов
2. Простота оптоэлектронного блока
Устройство ячейки Фарадея

11. Перспективные СИ
Магнитооптический измерительный преобразователь
переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5
11
Технические характеристики
(планируемые)
Диапазон
измерения тока
0,1 ÷ 6 кА
с допускаемой
кратковременной
перегрузкой 100 кА
Рабочая частота 1 Гц … 10 кГц
Модульная
погрешность
0,2–0,5 %
измерения, Δf
Угловая
погрешность
измерения, Δδ
2 мин
Предварительные
результаты испытаний
Испытания проводились в лаборатории при н. у. Δf, %
I, А
I, А
Δδ, мин
Структурная схема
преобразователя тока
(не превышает 2 мин.)

12. Перспективные СИ
Магнитооптический измерительный преобразователь
переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5
12
Эталонный ТТ
Iном = 5 кА
МПР-МЭ-5
Iном = 5 кА
Приборы сравнения
(Энергомонитор 3.1КМ
и Энегомонитор 3.3Т1)

13. Перспективные СИ
Электрооптический 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
Назначение
Преобразователь предназначен для масштабного преобразования мгновенных
значений высоких переменных и импульсных напряжений в пропорциональные
значения низкого напряжения. Он основан на использовании
электрооптического эффекта электрогирации.
Принцип действия
Эффект электрогирации проявляется в появлении оптической активности
центрально симметричных кристаллов под действием напряженности
электрического поля измеряемого напряжения.

14. Электрооптический эффект электрогирации
50 лет спустя
14
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

15. Электрооптический эффект электрогирации
50 лет спустя
15
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.
lU
Поляризаторы
Линзы
Световоды
U G l d E G ´ = = j ò 2
1
 
— постоянная
электрогирации кристалла;
E 
— вектор
напряженности
электрического поля

dl
— элемент контура на
промежутке между
электродами
G

16. Перспективные СИ
Электрооптический измерительный преобразователь
переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100
16
Конструкция
которой подключены к измеряемому напряжению,
 электронный блок, формирующий нормированный
Особенности конструкции:
в преобразователе измеряемое
напряжение прикладывается
непосредственно к торцам центрально
симметричного кристалла.
 ячейка электрогирации, входные электроды
выходной сигнал
Преимущества конструкции:
1)возможность измерения
межфазного напряжения;
2) Поляризаторы отсутствие пьезоэффекта.
Линзы
Световоды
оптически связывающие ячейку
электрогирации с электронным
блоком и обеспечивающие
гальваническую развязку

17. Перспективные СИ
Электрооптический измерительный преобразователь
переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100
17
Технические характеристики
(планируемые)
Номинальное
значение
измеряемого
напряжения
35, 110 кВ
Рабочая частота 1 Гц … 10 кГц
Модульная
погрешность
0,2–0,5 %
измерения
Угловая
погрешность
измерения
2 мин
Предварительные
результаты испытаний
Испытания проводились в лаборатории при н. у. 30.04.2014
Структурная схема
преобразователя напряжения

18. Перспективные СИ
Электрооптический измерительный преобразователь
переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100
18
Средства измерения высокого
переменного напряжения
Uном = 35 кВ
ПВЕ 35 кВ
Кл. 0,05
НЛЛ
Кл. 0,1
ЭПР-МЭ-35
Эксперимен-
тальный
образец

19. Исполнение ИТН и ИТТ
для работы в составе ЦПС
19

20. Метрологическое обеспечение электронных (цифровых)
трансформаторов тока и напряжения
20
Комплекс средств поверки трансформаторов
тока и напряжения «КСП-61850»
Многофункциональный
эталонный прибор
«Энергомонитор-61850»
Высоковольтный
измерительный
комплект
поверки ИТН
Комплект
поверки ИТТ

21. Перспективы серийного производства.
Проект
21
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 компаний
Энергетикам 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.
Требования
к производству:
Площадь: 2000–3000 м2
Персонал: 100–150 человек
Планируемый годовой
выпуск: 1000 ед.

22. 22
Архангельский Владимир Борисович
к. т. н., ведущий специалист
Гиниятуллин Ильдар Ахатович
директор ООО «НПП Марс-Энерго»
www.mars-energo.ru