ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОАУДИТ МЕТОД ОПТИЧЕСКОГО АМПЕРМЕТРА - НАИЛУЧШАЯ МИРОВАЯ ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ТОКОВ
Изменение структуры потребления электроэнергии при переходе к развитой рыночной экономике оказывает сильное влияние на точность коммерческого учета электроэнергии. Поясним данное утверждение. Погрешность коммерческого учета электроэнергии определяется погрешностью измерительного комплекса средств учета электроэнергии, в который входят трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, счетчики электрической энергии. Поэтому суммарная относительная погрешность измерительного комплекса зависит от среднеквадратичных погрешностей перечисленных составляющих. При этом метрологические характеристики трансформаторов тока, входящих в состав измерительных комплексов, зависят от величины тока в измерительной цепи, который, в свою очередь, зависит от нагрузки в первичной и во вторичной цепях. С другой стороны, конкурентная рыночная среда способствует созданию условий, обеспечивающих высокую динамику структуры потребления электрической энергии. Другими словами, в рыночных условиях структура потребления электроэнергии непрерывно меняется в зависимости от запросов рынка: появляются новые промышленные товары и, соответственно, новые потребители электроэнергии, исчезают потребители, не выдержавшие конкуренции. Поэтому в рыночных условиях нагрузка в узлах учета электрической энергии непрерывно меняется, что приводит к смещению рабочей точки измерительных трансформаторов тока и счетчиков в область малых токов, в область нелинейности, в которой погрешность трансформаторов тока и напряжения и счетчиков возрастает в несколько раз, а погрешность измерительных комплексов резко возрастает. Кроме того, к смещению рабочей точки трансформаторов тока в область сильной нелинейности приводит также, как это ни странно, замена индукционных на электронные счетчики. Как известно, мощность вторичной нагрузки измерительных трансформаторов состоит из мощности электрического счетчика и мощности измерительных проводов. Поскольку энергопотребление электронного счетчика значительно меньше энергопотребления индукционных счетчиков, мощность вторичной нагрузки резко снижается меньше допустимого значения, что приводит к значительному искажению показаний электронного счетчика.
Следовательно, повышение точности коммерческого учета электрической энергии в рыночных условиях требует постоянного изучения структуры потребления электрической энергии.
В целях решения данной проблемы Институт энергетики и автоматики АН РУз осуществил заказ японской компании ADAMANT KOGYO на разработку мобильного малогабаритного высокоточного оптического амперметра, способного производить бесконтактные измерения больших токов в узлах коммерческого учета электроэнергии при различных классах высокого напряжения: 0,4 кВ, 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ.
Метод оптического амперметра в настоящее время считается наивысшим достижением в области мировой измерительной техники больших токов. На сегодняшний день это наиболее высокоточный способ измерения больших токов бесконтактным методом. В основе измерений токов данным способом лежит эффект Фарадея. Несмотря на то, что эффект известен более ста лет, реализация данного метода стала возможной только после резкого прорыва в области волоконной оптики. Даже сейчас оптический амперметр изготавливается только по индивидуальным заказам в соответствии с техническими требованиями заказчиков и только несколькими фирмами мира.
Эффект Фарадея
В 1845 г. М. Фарадей обнаружил явление поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле. Поскольку постоянный ток порождает вокруг проводника постоянное магнитное поле, поместив чувствительный элемент с линейно поляризованным светом в это поле, по углу поворота плоскости поляризации света можно определить величину напряженности магнитного поля, а по ней - величину тока в проводнике. Для переменного тока процесс измерения усложняется: так как магнитное поле в этом случае является переменным не только по величине, но и по направлению, вращение плоскости поляризации света в чувствительном элементе также изменяется на противоположное в каждый полупериод. Поэтому все измерения угла поворота плоскости поляризации осуществляются раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока, синхронизируя с ними начало и конец производимых измерений [1,2].
Оптическое волокно
Главным чувствительным элементом оптического амперметра, существенно влияющим на его основные технические и метрологические параметры, является оптическое волокно (ОВ) для передачи световой энергии и оптических сигналов. ОВ является световодом, передающим электромагнитные волны оптического диапазона с одной входной его поверхности (торца световода) на другую, выходную торцевую поверхность. ОВ представляет собой цилиндрическое стеклянное волокно в защитной оболочке, световедущая жила которого - сердцевина выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления (рис.1). Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под соответствующими углами, подвергаются полному внутреннему отражению [3,4].
Благодаря этому свойству ОВ обеспечивает возможность передачи световой волны на большое расстояние без промежуточного усиления и с минимальными потерями энергии.
Оптический амперметр типа D-1550 предназначен для высокоточных бесконтактных измерений постоянного и переменного тока. Измерительный прибор (ИП) состоит из двух частей: чувствительного элемента (оптическое волокно) и электронного оптического блока (сигнальный процессор). Чувствительный элемент представляет собой волоконный кабель толщиной не более 10мм. Кабель замыкается кольцом вокруг контролируемого проводника с помощью специальной штанги. При этом нет необходимости разрывать и обесточивать контролируемый проводник. ИП измеряет только силу тока в проводнике, который охватывает кольцо. Результаты измерений не зависят от взаимного расположения кольца и проводника с током. Блок обработки выдает информацию на специальный дисплей. Принцип работы амперметра заключается в следующем (рис.2). Блок питания (БП) преобразует 220 В сетевого напряжения в 5В постоянного тока (напряжение) и обеспечивает питание микроконтроллера. Микроконтроллер (МК) вырабатывает сигнал и передает на лазер. Лазер на выходе генерирует световой сигнал и отправляет на модулятор. Направленный сигнал от модулятора проходит через преобразователь (Пр1) и поступает в чувствительный элемент.
В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля Н1 тока I1 происходит соответствующий поворот на угол Фарадея, и с выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на преобразователь (Пр2) и на фазовый детектор, где из него формируется электрический измерительный сигнал. Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода определенной разрядности на вход микроконтроллера и через него выдается на дисплей для отображения полученной информации [5].