Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов бесконтактного измерения мощности в высоковольтных линиях электропередач переменного тока

Докладчик: Бакунов Михаил Иванович

Должность: Заведующий кафедрой общей физики ГОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского», Старший научный сотрудник лаборатория оптических исследований, Центр инноваций, корпорация Кэнон США, заведующий кафедрой

Цель проекта:
Целью проекта является создание опережающего научно-технического задела в области бесконтактного измерения мощности электроэнергии в электросетях напряжением от 6 до 220 кВ, на основе магнито- и электро-оптических эффектов с применением новых интерференционных и поляризационных оптических методов. Применение данного задела позволит преодолеть недостатки существующих приборов данного класса и приступить к разработке принципиально новых инновационных приборов и технологий для диагностики и управления электросетями. Приборы такого класса будут иметь более высокую точность, повышенную электробезопасность, более низкую цену, экономию электроэнергии и эксплуатационную надежность. Создание указанных технологий и средств измерения обеспечит возможность вывода на рынок научно-технической продукции на основе технологий мирового уровня, увеличение экспортного потенциала и замещение импорта традиционных средств измерения тока и напряжения в высоковольтных сетях, создание возможности перехода к интеллектуальным электрическим сетям (SMART GRID). Разрабатываемые средства измерения относятся к интегрированным цифровым системам измерения и являются ключевыми компонентами цифровых подстанций, которые, в свою очередь, являются основными элементами Интеллектуальной Энергетической Системы. Построение цифровых подстанций - одно из ключевых направлений развития Единой национальной электрической сети, что закреплено в Стратегии развития Единой национальной электрической сети ОАО «Россети». Потребность в цифровых средствах измерения для электросетей, в том числе, основанных на оптических измерительных технологиях, будет с высокой вероятностью расти как в России, так и за рубежом благодаря выраженной тенденции к формированию активно-адаптивных сетей построенных по принципу SMART GRID, для уменьшения потерь при передаче и распределении электроэнергии, оптимизации ее потребления, улучшения качества электроэнергии, увеличения надежности и безопасности энергоснабжения.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами проекта являются
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по методам бесконтактного измерения мощности в высоковольтных линиях электропередач переменного тока, ориентированных на промышленное применение, с обоснованием выбора направления исследований и способов решения поставленных задач;
Блок-схема бесконтактного измерителя мощности;
Отчет о патентных исследованиях бесконтактных методов измерения силы тока, напряжения, температуры за период 2000-2014 гг.
Экспериментальные образцы основных узлов бесконтактного измерителя мощности.
Экспериментальные образцы бесконтактного измерителя мощности.
Экспериментальный стенд для исследования параметров основных узлов бесконтактного измерителя мощности.
Программа и методики экспериментальных исследований метрологических характеристик экспериментального образца бесконтактного измерителя мощности.
Программное обеспечение и программная документация для экспериментального стенда для проведения лабораторных исследований метрологических характеристик экспериментального образца бесконтактного измерителя мощности.
Программное обеспечение и программная документация для экспериментального образца бесконтактного измерителя мощности в однофазной сети.
Программное обеспечение и программная документация для экспериментального образца бесконтактного измерителя мощности в трехфазной сети.
Методика дистанционного бесконтактного измерения мощности в высоковольтных линиях электропередач, ориентированных на промышленное применение.
Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
Проект технического задания на проведение на проведение ОКР по теме: "Бесконтактный измеритель мощности в высоковольтных линиях электропередач переменного тока".

Достижение основных результатов позволит создать условия для дальнейшей разработки и производства принципиально нового инновационного бесконтактного измерителя мощности, основанного на применении оптических датчиков метода дистанционного бесконтактного измерения мощности в высоковольтных линиях электропередач, пригодного к применению в реальных условиях эксплуатации электротехнического оборудования, в т.ч. повышенной мощности. В ходе выполнения проекта будут исследованы границы и возможности применения данного метода применительно к максимально широкому диапазону напряжений от 6 до 220 кВ (в перспективе до 500 кВ) и токов (от 25 до 1200А) и проанализированы принципиально возможные схемы оптического датчика напряжения на основе а) эффекта Поккельса и б) обратного пьезоэффекта; Будет разработана оптическая схема и алгоритм обработки сигналов, оптимальные для построения бесконтактного дистанционного измерителя мощности для высоковольтных электросетей в конкретных условиях эксплуатации. Будут сформулированы аргументированные выводы о перспективах использования новых электро- и магнитооптических эффектов для создания оптических датчиков напряжения, тока и мощности, Впервые будут оценены возможности увеличения указанных эффектов в специальным образом сконструированных микроструктурированных оптических средах типа фотонных кристаллов и волокон.

Общепринятый подход к измерению электрической мощности состоит в одновременном измерении тока и напряжения в электросети и вычислении произведения синфазных компонент тока и напряжения (активная мощность) и их квадратурных компонент (реактивная мощность). Напряжение и ток являются ключевыми параметрами, характеризующими состояние электросети. Их надежное и точное измерение принципиально важно не только для качественного учета электроэнергии, но и для обеспечения безаварийной работы электросетей, т.е., в конечном итоге, для экономической и энерго-эффективности сетевого хозяйства. Рост и изменение характера нагрузок в электросетях и повышение требований к качеству электроснабжения выдвигают новые требования к средствам измерения тока и напряжения. Они должны обеспечивать более высокую точность измерений, динамический диапазон, полосу измеряемых частот, надежность, долговечность, устойчивость к перегрузкам, пожаробезопасность, электромагнитную совместимость (см., например, презентацию фирмы ABB, мирового лидера в электротехнической промышленности http://www05.abb.com/global/scot/scot235.nsf/veritydisplay/79329f1dcc4fe463482578a40030840d/$file/
energy_efficiency_6.pdf). В связи с тенденцией к созданию "интеллектуальных", активно-адаптивных сетей, особое значение приобретает возможность создания "распределенных" средств диагностики сетей, т.е. относительно недорогих, автономных, компактных, не требующих технического обслуживания датчиков напряжения и тока, которые могут быть быстро, с минимальными издержками установлены в любых
точках электросети.
В настоящее время ток и напряжение в линиях электропередачи и на подстанциях измеряют с помощью высоковольтных трансформаторов напряжения индуктивного и емкостного типов с вторичными аналоговыми цепями. Принципиальным недостатком этих устройств является наличие гальванической связи между высоковольтными и низковольтными цепями, что ограничивает устойчивость к перегрузкам и
аварийным ситуациям. Эти устройства имеют, как правило, ограниченную полосу рабочих частот, и вследствие этого не обеспечивают адекватный анализ качества электроэнергии и корректный учет ее потребления из-за невозможности измерения высоких гармоник и переходных процессов. В большинстве этих устройств в качестве электроизолятора используется трансформаторное масло, что делает их
потенциально пожароопасными. Измерительные трансформаторы тока, использующие ферромагнитные сердечники, имеют ограниченную точность и динамический диапазон из-за гистерезиса и насыщения ферромагнетика. Традиционные измерители тока и напряжения имеют сложную конструкцию и большой вес, что создает сложности в их транспортировке, монтаже и обслуживании.
Часть этих ограничений снимается в электронных преобразователях тока и напряжения на основе индуктивных и емкостных делителей. Эти преобразователи имеют цифровой выход, в них отсутствуют ограничения по полосе рабочих частот, и они могут быть сделаны полностью твердотельными. Однако принципиальный недостаток аналоговых преобразователей – наличие гальванической связи между высоковольтной и низковольтной частью преобразователя и связанная с этим потенциальная уязвимость чувствительных электронных цепей по отношению к перегрузкам в высоковольтной части устройства – присущ и новому поколению электронных преобразователей. Кроме того, следует отметить, что преобразователи напряжения, основанные на емкостных делителях, чувствительны к внешним условиям. Этот принципиальный недостаток полностью устраняется в волоконно-оптических датчиках тока и напряжения. Основные особенности волоконно-оптических датчиков – возможность полного исключения проводящих элементов из сенсорной (высоковольтной) части, и абсолютная гальваноразвязка между
высоковольтной и низковольтной частями датчика. Физической основой таких датчиков являются электро- и магнито-оптические эффекты, состоящие в изменении оптических свойств сред под действием внешних электрических и магнитных полей, а также (для датчиков напряжения и электрического поля) обратный пьезоэффект – деформация тел приложенным электрическим полем. Дистанционность измерений,
гальваноразвязка и электромагнитная совместимость в оптических датчиках достигаются за счет применения оптических волокон, позволяющих размещать регистрирующую электронику на значительном удалении от чувствительной головки датчика. Так как оптическое волокно является очень хорошим диэлектриком, регистрирующая электроника абсолютно защищена от нештатных ситуаций в высоковольтной линии, таких как грозовые разряды, импульсы переключения или короткие замыкания.
Чувствительные элементы оптических датчиков могут быть полностью твердотельными, без жидких либо газообразных диэлектриков, что обеспечивает долговечность, пожарную и экологическую безопасность. Оптические датчики обладают очень хорошей линейностью отклика и широким динамическим диапазоном, в них отсутствуют эффекты насыщения. Средства измерения мощности в электросетях, основанные на оптических датчиках тока и напряжения, в наибольшей степени отвечают современным требованиям, особенно, с точки зрения надежности, долговечности и электромагнитной совместимости. Это нашло отражение в Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС», рекомендующем к использованию оптические датчики напряжения и тока (http://www.fsk-ees.ru/media/File/evolution_technology/techpolicy1.pdf, с. 105).
В соответствии с Положением ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе (http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ETP_FSK_EES_2014_02_06.pdf) технологии оптических систем измерения и управления, и созданные на их основе цифровые подстанции, требует «в ближайшее время пилотного внедрения с целью оценки их дальнейшего массового применения». Кроме этого в Положении указано, что «В качестве альтернативы традиционным измерительным трансформаторам тока и напряжения, в том числе встраиваемым, могут применяться цифровые измерительные трансформаторы на основе оптико-электронных преобразователей тока и напряжения, обеспечивающие:
- требуемую точность определения электрических параметров для систем измерений и РЗА;
- требуемую точность измерений в широком динамическом диапазоне изменений тока (от 100 А до 4000 А
для систем измерений и до 160 кА для РЗА);
- проведения анализа качества электроэнергии по гармоническому составу в переходных режимах для
частотного диапазона от 10 Гц до 5000 Гц (как перспективный может рассматриваться диапазон частот от 0
Гц с верхней границей выше 5000 Гц).
Современные измерительные трансформаторы должны иметь увеличенный, по сравнению с традиционными, межповерочный интервал – не менее 8 лет, улучшенные массогабаритные характеристики и требовать меньших трудозатрат при монтаже и эксплуатации.»

Мировая история разработки оптических датчиков для электросетей насчитывает более 20 лет. Предложено много вариантов таких приборов, в большинстве основанных на электрооптическом эффекте Поккельса и магнитооптическом эффекте Фарадея. Существует два подхода к построению датчиков. Один из них предполагает измерение локальных значений электрического либо магнитного поля в нескольких точках,
математическое восстановление распределения поля по этим данным и вычисление тока либо напряжения исходя из восстановленного распределения полей. Однако, изменения в окружающей среде, возмущающие распределение полей, могут приводить к ошибкам измерений. Второй подход основан на прямом измерении тока и напряжения, так как он не требует допущений о распределении электрического и магнитного поля. Этот подход представляется более перспективным.
Работы по созданию оптических датчиков тока и напряжения ведутся в ряде стран: США, Китае, Японии, Швейцарии, Германии. Наибольший прогресс за рубежом достигнут в Северной Америке (фирма NxtPhase) и Швейцарии (фирма ABB). Для измерения напряжения фирма NxtPhase использует несколько электрооптических датчиков локального электрического поля. Для вычисления полного напряжение применяется математическая процедура, основанная на предположениях о распределении поля (см. предыдущий абзац). Как показал опыт эксплуатации, недостатком такого прибора является влияние окружающей среды на результат измерения. В связи с этим фирма NxtPhase прекратила производство этих датчиков. Более перспективными, на наш взгляд, являются датчики напряжения, разрабатываемые фирмой АВВ. В этих приборах используется обратный пьезоэффект в кристаллическом кварце либо электрооптический эффект Поккельса в кубическом кристалле BGO. В этих вариантах датчика напряжения измеряется полный интеграл электрического поля по длине чувствительного кристалла. Возможно прямое измерение полного напряжения, либо его части при использовании делителя напряжения. Слабым местом обоих вариантов датчиков является температурная стабильность. В датчике на обратном пьезоэффекте проблема связана с тем, что оптическое волокно является частью электромеханической подсистемы датчика, т.е. механически связано с пьезокристаллом и непосредственно воспринимает его деформации.
Как правило, волокно наматывается на пьезоэлемент, выполненный в форме цилиндрического стержня, к торцам которого прикладывается измеряемое напряжение. Трудность в том, что механические свойства полимерного защитного покрытия волокна и клея сложным и иногда неоднозначным образом зависят от температуры. В электрооптическом датчике на основе кубического кристалла проблема температурной
стабильности, по-видимому, носит принципиальный характер: она связана с остаточным термоиндуцированным двупреломлением в номинально изотропном кристалле BGO, нерегулярным образом влияющим на масштабный коэффициент датчика. Избавиться от этого остаточного
двупреломления чрезвычайно сложно. Вследствие указанных сложностей, ABB также не поставляет оптические датчики напряжения, хотя декларирует это в своих рекламных материалах. Таким образом, в мире оптические датчики напряжения в настоящее время серийно не производятся, но являются чрезвычайно перспективными с точки зрения ведущих игроков рынка.
Оптические датчики тока оказались более успешными в плане промышленного внедрения. Эти датчики используют оптическую схему на эффекте Фарадея в катушке из оптического волокна, внутри которой расположен проводник с измеряемым током. Оптические датчики тока выпускаются рядом фирм: NxtPhase, FieldMetris (США), ABB (Швейцария), Airak (США), Alstom Grid (Швеция) и т.д. Однако, существует ряд проблем, препятствующих внедрению этих датчиков. Основной из них является дороговизна, связанная с использованием в этих датчиках особого оптического волокна, т.н. SPUN-волокна.

В данном проекте основным вызовом является разработка оптического метода измерения напряжения. Физической основой датчика напряжения может быть эффект Поккельса, обратный пьезоэффект, а также, в перспективе, новые линейные электрооптические эффекты в центросимметричных средах.
Как сказано выше, использование электрооптических кубических кристаллов создаёт принципиальные трудности с наличием в них паразитного двупреломления, которое кроме того сильно зависит от темпнратуры. Это приводит нестабильности масштабного коэффициэнта электродатчика. Отжиг кристаллов частично уменьшает паразитное двупреломление, но проблему не снимает. Наши исследования показали, что более перспективным является использование кристаллов с естественной оптической анизотропией (одноосных и даже двуосных кристаллов). Исследования показали, что влияние этой анизотропии в одноосных и двуосных кристаллах на температурную стабильность и угловую апертуру можно исключить. Здесь ключевую роль будет играть выбор кристалла, оптимальной оптической схемы и алгоритма обработки оптических сигналов. На начальном этапе предполагается использовать кристаллы кварца. Он подходит по многим параметрам, но только для датчиков свыше 200 кВ из-за малости его когстанты Покельса.
При создании датчика на обратном пьезоэффекте особый интерес представляют варианты датчика, в котором оптическое волокно не является элементом, непосредственно воспринимающим деформацию пьезокристалла, а выполняет лишь функцию оптического канала между чувствительным элементом и приемной частью. Это позволит исключить температурные нестабильности (и, возможно, долговременный
дрейф параметров датчика), связанные с присутствием органических полимерных материалов в чувствительном элементе датчика. Сам чувствительный элемент может быть выполнен в виде интерферометра, чья разность хода модулируется деформацией пьезоэлемента. Эта деформация весьма мала (порядка долей микрона), поэтому для ее надежного измерения требуется высокочувствительный
метод. Оптимальным решением здесь выглядит низкокогерентная тандемная интерферометрия, позволяющая дистанционно измерять толщины и смещения с точностью до долей нм в интересующей полосе частот до 5 кГц, что соответствует 100й гармонике частоты сети. Важно, что низкокогерентная интерферометрия обеспечивает абсолютное измерение размеров. Это позволит измерять температуру чувствительного элемента датчика по его тепловому расширению, что принципиально для температурной компенсации параметров датчика (см. ниже). Участники проекта имеют значительный опыт применения прецизионной низкокогерентной интерферометрии для промышленных измерений.
Эффект Поккельса и пьезоэффект зависят от температуры. Для кварца температурный коэффициент пьезоэффекта составляет 2 х 10-4 С-1, что в рабочем диапазоне температур дает погрешность датчика около 4%. Это приводит к необходимости температурной компенсации, которая может осуществляться за счет измерения температуры датчика и внесения температурных поправок в результаты измерений, а также
на физическом уровне, за счет конструкции чувствительного элемента; возможно сочетание этих подходов.
Концепция оптического, гальванически развязанного датчика предполагает, что для измерения температуры чувствительного элемента также должен использоваться оптический метод. Одним из эффективных методов измерения температуры может быть волоконно-оптическая низкокогерентная тандемная интерферометрия.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Областью применения планируемых результатов являются интеллектуальные электросети нового поколения, относящиеся к приоритетному
направлению «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» в рамках критической технологии «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии». Проект направлен на создание средств измерения напряжения, тока и электрической мощности для высоковольтных сетей нового поколения.

Результаты ПНИ будут востребованы, в первую очередь, индустриальным партнером проекта - ООО «Интеллектуальные системы НН» (далее ООО "ИС НН"). Они дадут возможность организовать мало-серийное производство востребованных рынком недорогих бесконтактных измерителей мощности, основой которых станут оптические датчики нового поколения. В дальнейшем производство может быть
организовано и на других предприятиях электротехнического сектора по имеющейся технической документации.
Научно-образовательный кластер: ННГУ им. Н.И. Лобачевского по итогам ПНИ получит новые компетенции в области физической и
волоконной оптики, подготовленных специалистов, методики обучения и подготовки. Дополнительный импульс получат смежные специализации: оптическое материаловедение, математическое моделирование электродинамических систем, цифровая обработка сигналов и пр. ННГУ продолжит быть научным консультантом производителя измерителей мощности за пределами горизонта данного проекта, что позволит, имея обратную связь, применять новые научные принципы и инновационные разработки как в производстве, так и эксплуатации более совершенных измерителей мощности.
Создаваемый задел может быть использован для запуска в производство инновационной продукции – бесконтактных измерителей мощности, основой которых станут оптические датчики нового поколения. Использовать результаты НИР могут фирмы-производители электротехнического оборудования. Потребность в бесконтактных измерителях мощности в России будет расти с увеличением количества интеллектуальных систем в энергетике. Исходя из мировых тенденций и действующего приоритетного направления модернизации и технологического развития экономики России «Энергоэффективность и энергосбережение», в ближайшие 3-5 лет очень вероятен резкий рост этой потребности.
Основными потребителями бесконтактных измерителей мощности являются сетевые и распределительные компании, производители силового энергетического оборудования, предприятия энергоемких секторов промышленности и пр.

В качестве оценки влияния планируемых результатов на разработку оптических датчиков следующих поколений, можно сказать, что с этой точки зрения, представляет особый интерес исследование новых электро- и магнитооптических эффектов и новых электрооптических материалов. Одним из таких эффектов является линейный электрооптический эффект в центросимметричных средах, теоретически предсказанный авторами проекта в [Дягилев С.А., Новиков М.А. О линейном электрооптическом эффекте в изотропной среде. Оптика и спектроскопия т.64, N 3, 1988, p.609-614] и до сих пор не наблюдавшийся. Согласно оценкам, этот эффект существенно меньше, чем эффект Поккельса, но, в отличие от последнего, он может наблюдаться при определенных условиях даже в изотропных средах, например, в обычных телекоммуникационных оптических волокнах. Потенциально, на основе этого эффекта могут быть созданы полностью волоконные электрооптические датчики напряжения, в которых свет не выходит за пределы волоконного контура (датчики на эффекте Поккельса не являются полностью волоконными, в них волокно служит каналом доставки оптического излучения к чувствительному кристаллу). При использовании волокна в качестве чувствительного элемента, малая удельная (на единицу длины) величина эффекта может быть скомпенсирована за счет длины чувствительного волокна. Помимо экспериментального исследования нового эффекта, представляет интерес его теоретический анализ, в частности, поиск путей увеличения эффекта. Другим эффектом, представляющим интерес для оптического измерения мощности, является невзаимное линейное двупреломление в скрещенных электрическом и магнитном полях [Новиков М.А. Электро-
магнитооптическое невзаимное двулучепреломление в жидкостях. Известия ВУЗов, Радиофизика, т. 32, N 2, 1989, с. 258-260]. На основе этого эффекта в принципе возможно создать оптический датчик, напрямую измеряющий активную часть передаваемой мощности, без раздельного измерения тока или напряжения. Экспериментальное исследование этого эффекта позволит сделать вывод о перспективах его использования для создания оптических датчиков мощности следующего поколения.

Текущие результаты проекта:
В рамках подготовки аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, с обоснованием и выбором направления сследований и способов решения поставленных задач проведен анализ свыше 10 источников литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
В ходе проведения патентных исследований по ГОСТ 15.011-96 бесконтактных методов измерения силы тока, напряжения, температуры за период 2000-2014 гг найдено о проанализировано свяше 50 отечественных и зарубежных патентов по бесконтактным методам измерения силы тока, напряжения, температуры за период 2000-2014 гг.
Подготовлена эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального стенда для исследования метрологических параметров экспериментальных образцов бесконтактного измерителя мощности, сформулированы требования и начата подготовка помещения, в котором будет размещаться экспериментальный стенд.