Оптико-электронные устройства - ­­­Электрическая часть электростанций

Оптико-электронные устройства (ОЭУ) Как это очевидно из предыдущего, создание электромагнитных измерительных трансформаторов классической формы для РУ и ВЛ напряжением 750 и 1150 кВ приводит к непомерному увеличению габаритных размеров и стоимости таких аппаратов. Это обусловило поиск иных средств для получения и передачи информации от первичных электрических цепей сверхвысокого и ультравысокого напряжения. Оказалось весьма перспективным использовать для передачи информации из зоны высокого потенциала на потенциал земли светового луча и оптического (световодного) канала связи. Полная электрическая развязка между первичной (высокого напряжения) и вторичной (низкого напряжения) электрическими цепями, функционально связанными только световым лучом, устраняют взаимное влияние цепей, обеспечивают высокую естественную изоляцию между ними и принципиально исключают необходимость в громоздких изоляционных конструкциях. Для приобщения к пониманию новых технических решений приведем некоторые исторические сведения. Прохождение света по прозрачным каналам на основе полного внутреннего отражения использовалось еще древними стеклодувами при изготовлении декоративных стеклянных изделий, мозаичного стекла. Изобретение венецианских мастеров — филигранная обработка стекла и световых трубок создают белые и цветные нити, образующие внутри стекла иногда очень сложный, но всегда правильный рисунок. Позднее для передачи световых эффектов стали использовать световоды в виде тонких, гибких стеклянных нитей. Каждый световод состоит из сердечника, выполненного из стекла с малыми потерями световой энергии, окруженного оболочкой из стекла с меньшим показателем преломления. Такая конструкция за счет внутреннего отражения света от границы двух слоев стекла обеспечивает распространение светового сигнала только от центральной нити и поэтому иногда называется оптическим волноводом. Внешний диаметр оптического волокна составляет 100—250 мкм. В 1845 г. талантливый экспериментатор Майкл Фарадей, наблюдая поляризацию света в магнитном поле, установил, что электромагнитное излучение (свет) распространяется в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля. Это явление магнитооптики (эффект Фарадея) представляет собой вращение плоскости колебаний электрического вектора при прохождении света сквозь вещество, помещенное в магнитное поле, причем угол вращения плоскости колебаний пропорционален напряженности магнитного поля. В 1870 г. в Англии Джон Тиндаль демонстрировал явление, при котором струя воды вытекала через отверстие в стенке освещаемого сосуда, свет проходил по изогнутому пути струи. Потом, много позднее, была показана возможность использования стеклянных волокон без оболочки для передачи света и развертки изображений. В 1875 г. английский физик Джон Керр открыл явление двойного лучепреломления в веществе, помещенном в электрическом поле. В жидкость помещались два электрода, образующие плоский конденсатор (ячейка Керра). При пропускании между электродами светового луча без электрического поля анализатор не пропускал света, а при включении электрического поля наблюдалось явление двойного лучепреломления, ячейка Керра становилась прозрачной для проходящего света. В 1894 г. немецкий физик Ф. Поккельс обнаружил изменение преломления света в кристаллах пьезоэлектриков, помещенных в электрическое поле, изменение, пропорциональное напряженности электрического поля, что послужило основой для создания модуляторов света. В 1951 г. Ван Хиил в Голландии, Хопкинс и Капани в Англии начали изучать проблему передачи изображения по жгуту из регулярно уложенных стеклянных волокон, Капани получил изображение без искажений с помощью жгута из регулярно уложенных стеклянных волокон диаметром 50 мкм без оболочки. Потом стеклянные волокна в оболочке из стекла стали стандартными оптическими элементами для изготовления волоконно-оптических деталей. Волоконная оптика — это оптика на основе активных и пассивных волокон, применяемых для передачи света по заданному пути. В 1957 г. Н. С. Капани (Волоконная оптика. М.: Мир, 1969), разрабатывая технологию многожильных волокон, исследовал передачу световых колебаний по волокнам малого диаметра. Были достигнуты большие успехи в использовании волоконной оптики для различных электронно-оптических приборов, обрабатывающих информацию, и для фотокопирующих систем. Механизм распространения света вдоль волокон, диаметр которых составляет несколько длин волн, рассматривается исходя из принципов лучевой оптики, прозрачные цилиндры малого диаметра работают как волноводы. В 1956 г. Г, В. Голодолинским (СССР) была исследована, а затем и практически доказана принципиальная возможность измерения тока в цепях высокого напряжения с помощью магнитооптического эффекта Фарадея. В качестве световодов исследовались пустотелые трубки с полированной внутренней поверхностью, диэлектрические трубки, наполненные жидкостью, штанги из твердого, оптически прозрачного диэлектрического материала, гибкие волокна. В волоконных световодах отдельные волокна представляют собой сердечники из оптически чистого стекла, покрытые тонким слоем стекла с коэффициентом преломления, несколько более низким, чем у сердечников. Эти волокна могут подвергаться воздействию масла, смолы и других загрязняющих веществ без нарушения способности передавать свет. Пучок оптических волокон обладает высокой гибкостью и позволяет передавать оптическую информацию по очень сложному пути, подобно электрическим проводам. Работы в области исследования и создания оптикоэлектронных (ОЭ) измерительных устройств для РУ и ВЛ проводятся почти во всех промышленно развитых странах. Огромные успехи в этом направлении достигнуты в Японии. Преимуществами световодной ОЭ-связи * являются: высокая степень уплотнения световодов, обеспечивающая огромный объем передаваемой информации, экономия цветных металлов, высокая помехозащищенность, устойчивость к внешним воздействиям и ряд других преимуществ, приводящих в конечном счете к высокой технико-экономической эффективности. Все это создает основания для принципиально качественных изменений в построении различных систем передачи информации и расширяет ее возможности *Оптическая связь: Пер. с японск./Под ред. И. И. Теумина. М.: Радио и связь, 1984. Волоконно-оптическая связь, использующая в качестве носителя информации свет, представляющий собой электромагнитные колебания, обладает замечательными характеристиками передачи. Ее специфическими особенностями являются: малый диаметр и масса волоконных световодов, большой объем передаваемой информации, быстродействие; низкие потери передачи; надежность в статических режимах работы; высокая точность измерений в переходных режимах работы; помехозащищенность по отношению к шумам, наведенным внешними электромагнитными полями; возможность многих способов модуляции; отсутствие необходимости в заземлении; малый допустимый радиус изгиба; устойчивость к повреждениям; богатые природные ресурсы исходного материала. Передаваемая информация на приемном конце демодулируется в оптическом детекторе. Физическую основу ОЭ-методов измерения составляют процессы преобразования измеряемого (входного) электрического сигнала в световой и светового сигнала в выходной электрический сигнал [6]. Воздействие измеряемого параметра на свойства светового луча (модуляцию) можно осуществлять двояко: способом внутренней модуляции и способом внешней модуляции излучения (рис. 6-31). При внутренней модуляции излучения измеряемый параметр (напряжение или ток) масштабируется с помощью согласующих устройств и воздействует на источник излучения. Модулированный световой поток преобразуется в фотоприемнике. Рис. 6-31. Обобщенные структурные схемы ОЭ-устройств: а — с внутренней модуляцией светового потока 1 — первичный измерительный преобразователь; 2 — промежуточный измерительный преобразователь; 3 ~ автономный источник питания; 4 — источник излучения; 5 — передающий объектив; 6 — передающая среда; 7 — приемный объектив; 8 — фотоприемник; 9 — усилитель; 10 — измерительные приборы; 11 — преобразователь частота —  аналог или код — аналог; 12 — выходной усилитель б    — с внешней амплитудной модуляцией светового потока  1  — источник излучения; 2 — оптическая система; 3 — оптический канал связи; 4 — возвратно-отражательная оптическая система; 5 -— модулятор (первичный преобразователь); 6 — поляризатор; 7 — элемент, управляемый измеряемым параметром (напряжение, ток); 8 — анализатор; 9 — оптический канал связи; 10 — приемная оптическая система; 11 — фотоприемник; 12 — усилитель; 13 — измерительные приборы или исполнительные устройства В схеме на рис. 6-31, а измеряемый параметр (7Л) через первичный измерительный преобразователь (1) и промежуточный преобразователь (2), снабженный автономным источником питания (3), воздействует на источник излучения (4), вызывая соответствующие виду модуляции изменения потока излучения. Промодулированный таким образом световой поток по оптическому каналу связи, состоящему из передающего объектива (5), передающей среды (6) и приемного объектива (7), подается на фотоприемник (8), выходной сигнал которого усиливается усилителем (9). С выхода усилителя сигнал может быть подан на измерительные приборы (10) или на исполнительные устройства (II, 12). При внешней модуляции измеряемый параметр (напряжение, ток) воздействует на световой поток вне источника излучения (рис. 6-31, б). Здесь источник и приемник излучения располагаются на потенциале земли, а в зоне высокого потенциала располагается только первичный измерительный преобразователь, т. е. ячейка Керра, Поккельса при измерении напряжения или ячейка Фарадея при измерении тока, и необходимые элементы оптики. По схеме рис. 6-31, б постоянный по интенсивности световой поток от источника излучения (/) формируется оптической системой в параллельный пучок лучей, который по оптическому каналу связи (3) передается на сторону высокого напряжения в возвратноотражательную оптическую систему (4). Отраженный пучок проходит через модулятор — первичный преобразователь (5), содержащий последовательно расположенные поляризатор (6), элемент, управляющий измерительным параметром (напряжением, током) (7), анализатор (8). I Модулированный по интенсивности световой поток по оптическому каналу связи (9) поступает на землю, в приемную оптическую систему (10), и дальше в фотоприемник (11). Выходной сигнал фотоприемника, пропорциональный измеряемому параметру, усиливается усилителем (12) и подается к измерительным приборам или на исполнительные устройства (13). Для передачи сигналов используются световые импульсы. Применяются разные виды модуляции, например аналоговая, при которой информация передается изменением амплитуды, ширины и положения импульсов, или цифровая с кодированием информации комбинацией группы импульсов (при частотной, частотно-импульсной и других видах модуляции). Наиболее важные элементы оптической связи: источники света, модуляторы, волоконные световоды, детекторы света. В качестве источников света применяются светоизлучающие диоды (СИД) или лазерные диоды (ЛД). Наиболее высокой надежностью обладают светоизлучающие элементы на основе арсенида галлия. СИД и ЛД позволяют исключить модуляторы и использовать режим так называемой непосредственной модуляции интенсивности светового потока током накачки. Скорость передачи сигнала при непосредственной модуляции достигла 1 Гбит/с. Для передачи измерительной информации применяются волоконные световоды — влагозащитные световоды жесткого или гибкого типа, а также гибкие невлагозащитные световоды с сухим волокном. Одномодовые волоконные световоды — это наиболее перспективные каналы широкополосной передачи информации. Оптическое волокно сохраняет плоскость поляризации при двойном лучепреломлении. Двойное лучепреломление — это такое свойство материала, которое обусловлено зависимостью скорости света от поляризации. Когда плоскополяризованный пучок распространяется по двухлучепреломляющему волокну, он приобретает эллиптическую поляризацию и перемещается вдоль волокон по спиральной траектории, снижая чувствительность детектора к вращению. В Японии изготовляются многомодовые волоконные световоды из многокомпонентных стекол со ступенчатым изменением показателя преломления. Изготовляются волоконно-оптические кабели различных типов, заключенные в защитные оболочки, предназначенные для прокладки в трубах, под землей, для воздушной подвески, вертикальных прокладок. В трубах покрытые оболочкой волоконные световоды помещают в демпфирующий материал с низким коэффициентом трения. Применяются и силовые формирующие элементы конструкции таких кабелей. Кабели предназначены для работы при температуре окружающей среды от минус 20 до плюс 60 °С. Параметры изготовляемых кабелей: диаметр сердечника волновода от 50 до 90 мкм, диаметр оболочки 130—150 мкм, диаметр кабеля с защитной оболочкой 0,5—1,0 мм. Волоконно-оптический кабель экспериментальной системы энергетического комплекса г. Токио имеет следующие параметры: Передающий блок Лазерный генератор       GaAs-полупроводниковый лазер Максимальная мощность на выходе лазера         Примерно 3 дБ Длина волны излучения лазера ... Около 0,83 мкм Вид модуляции      Дифференциальная, импульсно-фазовая с модуляцией светового потока по интенсивности Скорость передачи       7,8 Мбит/с Приемный блок Оптический детектор     Кремниевый лавинный фотодиод Минимальная допустимая мощность на входе приемника  Около 50,5 дБ (при вероятности кодовых ошибок 10'9) Волоконно-оптический кабель Структура          Волоконный световод SELFOC, четырехжильный кабель без металлических материалов Потери в волокне   Примерно 14 дБ. км на длине волны 0,83 мкм Линейная плотность кабеля        Около 240 кг км Внешний диаметр кабеля      Около 19 мм Длина кабельного участка         550 м Минимальный допустимый радиус изгиба  Около 50 см Максимальная допустимая нагрузка при растяжении         Примерно 980 Н Использование эффекта Поккельса для измерения высоких постоянных и переменных напряжений впервые было предложено в Японии, а затем в нашей стране были составлены схемы конкретных измерительных устройств с газовыми лазерами в качестве источника света.

За последние годы также на основе эффекта Керра разработан ряд устройств, предназначенных для измерения импульсных и постоянных напряжений. Ряс. 6-32. Схематическое изображение трансформатора напряжения Поккельса 1 — оптический приемник; 2 — отражательное зеркало; 3 — источник света; 4 — объектив; 5 —  световой поток; 6 — призма; 7 — линия электропередачи; 8 — поляризатор; 9 — элементы Поккельса; 10 — изолирующая труба; 11 — элементы коррекции; 12 — анализатор; 13 — усилитель; 14 — напряжение коррекции; 15 — выход На рис. 6-32 схематически показан оптикоэлектронный трансформатор напряжения (ОЭТН) Поккельса. Соединение блоков, установленных в зоне высокого потенциала, и блоков, установленных в зоне потенциала земли, осуществляется здесь механически жестко с помощью полого опорного изолятора, внутри которого находятся элементы Поккельса и световоды. Потенциал вдоль элементов плавно изменяется до потенциала земли. Длина световодов для оптикоэлектронных штанг оперативного персонала выбирается согласно правилам техники безопасности. Оптикоэлектронные трансформаторы тока (ОЭТТ) основываются на эффекте Фарадея. Наибольшие преимущества дает недеполяризующее одномодовое волокно, из которого наматывается катушка вокруг шины с током. Такое решение позволяет расположить источник и приемник излучения, всю поляризующую и фокусирующую оптику на низком потенциале. В качестве источников света могут применяться лампы накаливания, газовые лазеры, светоизлучающие диоды (СИД). Наиболее перспективными источниками света являются полупроводниковые. Газовые лазеры обеспечивают конструктивную развязку высоковольтного и заземленного блоков. При этом расстояние между блоками может быть любым, практически необходимым. Уже создан ряд измерительных устройств с внутренней амплитудной модуляцией светового потока. В Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина разработано несколько таких устройств. Принципиальная схема ОЭТТ с внутренней амплитудной модуляцией показана на рис. 6-33. Первичным органом является воздушный трансформатор тока с двумя независимыми обмотками и w3, на выходе которых наводится ЭДС, пропорциональная производной измеряемого тока 1г. Напряжение с ws подается на схему расщепления, состоящую из ветвей R3C1 и R4L4, преобразуется в трехфазную симметричную систему, выпрямляется мостовой схемой и создает смещение на р — n-переходах арсенид-галлиевых светодиодов Д1 и Д2. Рис. 6-33. Схема измерительного канала, предназначенного для работы с релейной защитой Обмотка w3 через резистор R5 подключается к светодиоду Д1. Ток в цепи светодиода Д1 содержит постоянную и переменную составляющие, каждая из которых пропорциональна / j. Резисторы R5 и R6 служат для регулирования переменной и постоянной составляющих тока светодиода Д1. Конденсатор С2 и дроссель L5 образуют резонансную цепь для фильтрации переменной составляющей напряжения смещения. Оптрон, состоящий из системы светодиод Д1 — световод — фототранзистор Т, предназначен для передачи информации о численном значении и фазе измеряемого тока с высокого потенциала на потенциал земли. Второй оптрон (Д2 — световод — фотодиод Д) исключает влияние броска напряжения смещения в момент включения измерительного канала на трансформацию тока 11. Электрический сигнал, поступающий на вход усилителя, пропорционален разности световых потоков обоих оптронов, получающейся при дифференциальном включении фотоприемников. Экспериментальные исследования опытных образцов оптикоэлектронных ИТТ показали возможность измерений с большой точностью и создания унифицированной серии оптикоэлектронных трансформаторов тока на любые номинальные токи и напряжения Достоинством таких устройств является ширина спектра воспроизводимых сигналов, которая ограничивается только предельным быстродействием светоизлучателя, фотоприемника и усилительных устройств. Несмотря на определенные успехи, достигнутые при создании ОЭТТ с внутренней амплитудной модуляцией, следует отметить, что построение таких аппаратов высокого класса точности встречает трудности: сложность обеспечения стабильности результирующего коэффициента преобразования при действии возмущающих факторов; сложность передачи аналоговой информации от приемных устройств аппарата, размещенных обычно в самом аппарате, к усилительным устройствам и другим преобразователям, расположенным обычно в здании, станции; сложность защиты каналов связи между приемным и усилительным устройствами от помех и др. Существенными преимуществами обладают ОЭТТ с внутренней импульсной модуляцией светового потока, где осуществляется промежуточное преобразование измеряемой аналоговой величины в дискретную цифровую форму, т. е. в частоту импульсов, длительность импульсов или код.

Рис. 6-34. Трансформатор тока: а — на СИД 1 — волоконный световод; 2 — СИД; 3 — трансформатор тока с магнитным зазором; 4 — линия электропередачи; 5 — изолирующая труба; 6 — оптические приемники; 7 — усилитель; 8 — импульсы к измерительным приборам и реле б — на основе эффекта Фарадея 1 — волоконные световоды; 2 — поляризатор; 3 — линия электропередачи; 4 — зеркало; 5 — стекло с примесью свинца; 6 — оптические приемники; 7 — усилитель; 8 — импульсы к измерительным приборам и реле; 9 — источники света; 10 — устройство фокусировки светового потока Преобразователь располагается на высоком потенциале, как можно ближе к первичному измерительному преобразователю (датчику), чтобы все преимущества могли быть реализованы в полной мере. Конструкции ОЭТТ схематично изображены на рис. 6-34. На рис. 6-34, а электросигнал, поступающий от высоковольтной части системы, преобразуется в световой и по волоконным световодам передается на наземные установки, где осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический. Основное преимущество — простота изоляции устройства, поскольку передача сигналов происходит с помощью света. На рис. 6-34, б свет используется не только как средство передачи измеренных данных, но и как средство непосредственного измерения. Измерение тока в линии с помощью аппарата, в состав которого входит лазер, осуществляется по углу поворота плоскости поляризации лазерного излучения; этот поворот вызван магнитным полем электрического тока, протекающего по линии (бесконтактное измерение). Рис. 6-35. Оптикоэлектронный трансформатор тока 750 кВ Преимущества ОЭТТ с внутренней импульсной модуляцией светового потока и дискретно-цифровой формой представления информации привели к тому, что в середине 60-х годов появились первые промышленные образцы ОЭТТ с частотноимпульсной модуляцией светового потока. Это ОЭТТ фирмы «Аллис Чалмерс» (США) под названием «Тразер», фирмы «Мерлен Жерен» (Франция) под названием «Трансоптик». Аналогичные работы проводятся в Италии, Канаде, Германии, Японии. Промышленные образцыОЭТТ-110 и ОЭТТ-750 с частотной модуляцией были разработаны и у нас в стране. Они предназначены для измерения тока в В Л переменного тока. По внешнему виду они напоминают высоковольтные электромагнитные ИТТ (рис. 6-35). Соединение блоков, установленных в зоне высокого потенциала, с болтами, установленными в зоне потенциала земли, осуществляется механически жесткое помощью опорного изолятора, внутри которого находятся световоды. Длина световодов для стационарных ОЭТТ определяется классом напряжения и здесь не должна быть менее 7 м. Практически в условиях электрообъектов длину световодов выбирают с учетом не только изоляционных свойств конструкции, но и расстояния до регистрирующей аппаратуры, эти расстояния могут быть от 30 м до 3 км [6]. Волоконно-оптические световоды длиной 30 м в нашей стране прошли испытания в реальных условиях и дали положительные результаты. На очереди разработка волоконно-оптических жгутов длиной до 3 км и испытания их в промышленных условиях. В заключение отметим, что к числу задач, которые могут быть эффективно решены с помощью оптикоэлектронных устройств, относятся измерения напряжения и переменного тока в установках СВН, измерения постоянного тока ВН, измерение импульсных токов, больших постоянных токов в металлургической промышленности, измерения на транспорте и во многих других областях народного хозяйства, а также в исследовательских высоковольтных лабораториях.

Рис. 6-36. Структурные схемы оптической связи энергетического комплекса Р 7 — трансформатор напряжения Поккельса; СТ — трансформатор тока на (ИД Прб — преобразователь; 0/7 — оптический передатчик; ОПр — оптический приемник ПРЭ — панель распределения; ПУ — панель управления; ПВН — прерыватель ВН ОТр — оптические трансформаторы; ЭЭП — элемент на основе эффекта Поккельса ЭЭФ — элемент на основе эффекта Фарадея; ЯГ — лазерный генератор В настоящее время ОПУ могут широко применяться на объектах электроэнергетики. На рис. 6-36 показаны варианты предлагаемых в Японии структурных схем оптической связи в энергетическом комплексе. Требования к устройству в варианте а: скорость передачи информации 4 кбит/с, вероятность кодовых ошибок не более 10-9, максимальное расстояние передачи 2 км. Вариант б рассчитан на небольшие расстояния, при этом отпадает надобность в ретрансляции сигналов. На рис. 6-37 показана предлагаемая зарубежными фирмами структурная схема территориальной системы измерений, контроля и управления оборудованием крупной электростанции и трансформаторной подстанции. Рис. 6-37. Структурная схема территориальной системы измерений, управления и контроля оборудования электростанции и трансформаторной подстанции Г — генератор; БУГ — блок управления генератором; БОПр — блок оптических приемников; БИПГ — блок измерения параметров генератора; БОП —блок оптических передатчиков; Б В — блок возбуждения; ПВИ — прерыватель высокого напряжения; ДТ — датчик тока; ДИ — датчик напряжения; АЦП — аналогоцифровой преобразователь; М — модулятор; Т° — датчик температуры; ДДМ — датчик давления масла;' ГФУ — генератор функции Уолша; ВОК — волоконно-оптический кабель; К — коррелятор; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; ПО — панель отображения; УВВД — устройство ввода-вывода данных; БП — блок памяти Система включает в себя замкнутую сеть связи, обеспечивающую высокую эффективность безаварийной работы оборудования комплекса и ВЛ сверхвысокого напряжения. Скорость передачи опорных импульсов 32 кбит/с, общее число световодов — 80. Система обеспечивает видеосвязь для управления и дистанционного контроля работы оборудования и параметров установки и ВЛ, а также высокоскоростную передачу данных от электронно- вычислительных комплексов. Основной областью использования оптикозлектронных трансформаторов в дальнейшем будут линии передачи электрической энергии сверх- и ультравысокого напряжения.