Гуртовцев А.Л.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
И ОПТИЧЕСКИЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА
y
E
y
v
+E
x
0
α
+H
-H
z
x
-E
H
а)
б)
2009
2
Гуртовцев А.Л.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
И ОПТИЧЕСКИЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА
(Законченная глава из незаконченной
книги)
Аннотация
В 2008-2009 гг., в конце своей 28-летней деятельности в области
автоматизированного учета и измерения электроэнергии и энергоносителей, я планировал
издать итоговую книгу “Измерение и учет энергии и энергоносителей в энергосистемах
и у потребителей”, тем более, что материал к ней был уже фактически подготовлен в
более чем двухстах моих статьях, опубликованных по этой тематике в различных ведущих
научно-технических журналах России, Беларуси и Украины. Но, ряд объективных и
субъективных обстоятельств привел к тому, что я был вынужден отказаться от завершения
этой книги. Тем не менее, несколько относительно автономных глав я успел завершить, и в
качестве самостоятельного произведения разместил ранее в Интернете вторую главу в виде
книги “Электрическая энергия: понятия, законы, измерения”. В данном труде я
предлагаю читателям третью главу неопубликованной книги, посвященную
электромагнитным
и
оптическим
(электронным)
трансформаторам
и
преобразователям тока. Если первая часть этой работы достаточно традиционна (она
изложена мной с метрологических позиций), то вторая часть, касающаяся оптических
трансформаторов, относительно нова. Мне думается, что этот материал может быть
использован в технических колледжах и высших учебных заведениях СНГ в качестве
учебного или справочного пособия в курсе электротехники и электрических измерений, а
также специалистами-практиками, имеющими дело в энергосистемах и на промышленных
предприятиях с преобразованиями и измерениями электрической энергии в однофазных и
трехфазных сетях переменного тока различного уровня напряжения.
Книга имеет 21 рис., 3 табл., 47 библ. - 47 стр.
Минск- 2009
Интернет-издание
3
ГЛАВА 3
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И
ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА
«Трансформатор (от лат. transformare превращать, преобразовывать) устройство для преобразования энергии из одной формы в другую
или для изменения физической величины в заданное число раз»
Словарь иностранных слов, 1988г.
Оглавление: 3.1 Общие понятия – 3.2 Электромагнитные трансформаторы тока – 3.2.1
Термины и определения. Классификация – 3.2.2 Номинальные, метрологические и технические
параметры – 3.2.3 Магнитные свойств магнитопровода трансформатора – 3.2.4 Теория
электромагнитного трансформатора тока – 3.2.5 Выбор и эксплуатация трансформаторов тока –
3.3 Оптические трансформаторы и преобразователи тока – 3.3.1 Поляризация света и эффект
Фарадея – 3.3.2 Оптическое волокно и передача светового сигнала – 3.3.3 Конструкция и
характеристики оптических ТТ и ПТ – Литература
3.1 Общие понятия
Измерение электрической энергии в однофазных и трехфазных электрических сетях
переменного тока осуществляется различными средствами измерительной техники, к
которым, в частности, относят измерительные преобразователи (ИП). Согласно
метрологическим документам [3.1,3.2], ИП определяют как «техническое средство с
нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования
измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал*, удобный для обработки,
хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи». По месту размещения ИП в
измерительной цепи* различают первичные (ПИП), т.е. первые в цепи преобразователи, на
которые непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, и промежуточные
преобразователи, а по характеру преобразования измеряемой величины в измерительный
сигнал – аналоговые (АП), аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП)
преобразователи. Конструктивно обособленные ПИП называют датчиками (Д). ИП или Д
функционально входят в состав измерительных устройств (ИУ), измерительных приборов
(ПР) или измерительных систем (ИС).*
*Согласно [3.1], измерительный сигнал определяют как «сигнал, содержащий количественную
информацию об измеряемой физической величине», измерительную цепь – как «совокупность элементов
средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической
величины от входа до выхода» («измерительную цепь ИС называют измерительным каналом»), измерительное
устройство – как «часть измерительного прибора (установки или системы), связанную с измерительным
сигналом и имеющим обособленную конструкцию и назначение» (в частности, измерительным устройством может
быть ИП), измерительный прибор – как «средство измерений, предназначенное для получения значений
измеряемой физической величины в установленном диапазоне», измерительную систему – как «совокупность
функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других
технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или
нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных
целях».
Среди ИП выделяют масштабные преобразователи, которые преобразуют масштаб
измеряемой величины в измерительный сигнал того же рода и вида, что и измеряемая
величина (например, преобразователи переменного тока в переменный ток той же частоты,
4
но меньшего масштаба), и передающие преобразователи, измерительный сигнал которых
отличается по роду или виду от измеряемой величины (например, преобразователи
переменного тока в унифицированный токовый сигнал 4-20 mA). ИП, предназначенные для
преобразования силы тока в измерительный сигнал, относят к
измерительным
преобразователям тока (ПТ) или датчикам тока (ДТ). Масштабные ПТ называют
измерительными трансформаторами тока (ТТ). ПТ, ДТ и ТТ используются в качестве ПИП
в электрических сетях переменного тока для подключения к ним измерительных приборов во
всех тех случаях, когда непосредственное подключение этих приборов в точки измерений
электрической энергии невозможно из-за больших токов или напряжений в этих точках.
Согласно терминологическим стандартам [3.3,3.4],
трансформатор – это
«статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных
обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции
одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем
переменного тока». Под трансформатором тока понимают «трансформатор, в котором
при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному
току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю»
[3.4]. Под первичным током I1 понимают «ток, протекающий по первичной обмотке
трансформатора тока и подлежащий трансформации», а под вторичным током I2 – «ток,
протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока» [3.3]. Ко вторичной обмотке ТТ
подключают вторичную цепь, т.е. «внешнюю цепь, получающую сигналы измерительной
информации от вторичной обмотки ТТ». Вторичная цепь содержит, как правило,
измерительный прибор. Данные определения относятся к традиционному и наиболее
массовому виду трансформаторов, в основе действия которого лежит явление
электромагнитной индукции - к электромагнитному трансформатору.
Основное назначение ТТ - это масштабное преобразование силы I1 первичного
переменного тока в силу I2 вторичного тока. Отношение действительного первичного тока к
действительному вторичному току в любой точке диапазона их изменений называют
действительным (истинным) коэффициентом трансформации:
Действительный коэффициент трансформации ТТ :
n=I1/I2
(3.1.1)
Для ТТ, как правило, n >>1, т.е. трансформатор понижает величину первичного тока в n раз до
величины вторичного тока, что дает возможность свести реальный процесс измерения
первичного тока большой величины к процессу измерения вторичного тока относительно
малой величины. Измерив I2 и зная n, можно вычислить I1:
I1=n·I2 .
(3.1.2)
Вычисление по (3.1.2) дает правильные значения первичного тока только при условии,
что коэффициент n имеет неизменное значение во всем рабочем диапазоне изменения этого
тока. Такой диапазон всегда конкретен и ограничен наименьшим I1мин и наибольшим I1макс
рабочими значениями тока (согласно [3.5], «наибольшее (наименьшее) рабочее значение – это
допускаемый верхний (нижний) предел изменения рабочего значения параметра
электротехнического устройства»), так как пока невозможно создать техническое устройство,
работающее в неограниченном диапазоне изменения измеряемой физической величины. Таким
образом, для ТТ всегда полагают, что в рабочем диапазоне I1мин ≤I1≤ I1макс.
При нормировании любого диапазона изменения того или иного параметра
электротехнического изделия, включая ток ТТ, используют номинальное значение параметра,
которое согласно [3.5] определяют как «значение параметра электротехнического изделия
(устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся
5
исходным для отсчета отклонений». Зная это значение, в частности, номинальный первичный
ток I1ном ТТ, рабочий диапазон его изменения задают в процентах от этого тока, например, как
1-120% I1ном. При выполнении изготовителем трансформатора всех технических условий на
свое изделие, гарантируется, что в рабочем диапазоне коэффициент трансформации n будет
иметь установленное значение с определенной погрешностью, зависящей от класса точности
трансформатора (как правило, эта погрешность постоянна или линейно меняется в границах
отдельных частей рабочего диапазона, например, для ТТ класса точности с литерой S она
различна в поддиапазонах 1-5,5-20 и 20-120 % I1ном).
Для измерения вторичного тока ТТ используют те или иные стандартные
измерительные приборы, и поэтому для ТТ нормируют не только первичный, но и вторичный
ток, задавая его номинальную величину – номинальный вторичный ток I2ном. Под эту
величину подбирают и номинальный ток измерительного прибора: IПРном=I2ном. Отношение
номинальных первичного и вторичного токов ТТ называют номинальным коэффициентом
трансформации:
Номинальный коэффициент трансформации ТТ :
nном=I1ном/I2ном
(3.1.3)
Например, при I1ном=1000А и I2ном=5А nном=1000/5=200,т.е. вторичный номинальный ток
в 200 раз меньше первичного номинального тока. Коэффициент nном, в отличие от n,
определяет отношение токов не в любой точке рабочего диапазона изменения первичного
тока, а только в одной конкретной точке - при номинальном значении. Его можно
рассматривать как тот предел, к которому должен стремиться коэффициент n во всех точках
диапазона измерения первичного тока: n≈nном. В соответствии с этим, приближенную величину
первичного тока I*1 вычисляют не по выражению (3.1.2), а по формуле:
I*1=nном·I2 .
(3.1.4)
Детально вопросы достижения требуемой метрологической точности коэффициентов
трансформации электромагнитных ТТ и оценки в целом их погрешностей рассматриваются в
следующем параграфе.*
* Иногда возникает вопрос: “Являются ли ТТ средством измерений и должны ли они в связи с этим
подвергаться периодической поверке?” Согласно [3.1], средством измерений (СИ) называют “техническое
средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики,
воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в
пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени”. Ключевыми в этом
определении являются понятия измерения (“совокупности операций,… обеспечивающих нахождение
соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой
величины”) и единицы измерения: если техническое средство не выдает значения величины и не хранит или не
воспроизводит единицу измерения, что характерно для ТТ, то, следовательно, оно не может быть признано в
качестве СИ. Однако, в [3.1] измерение рассматривается не только как абсолютное, основанное на прямых
измерениях физической величины, но и как относительное, т.е. “измерение отношения величины к одноименной
величине, играющей роль единицы…”. ТТ осуществляет в неявном виде относительное измерение вторичного тока
как доли первичного тока (I2=I1/nном), равной номинальному коэффициенту трансформации. Эта доля хранится в
конструкции ТТ, что превращает его как масштабный преобразователь в СИ (со всеми вытекающими из этого
обстоятельства последствиями, включая поверку).
На практике необходимость использования ТТ возникает как в низковольтных
(напряжением до 1 кВ), так и в высоковольтных электрических сетях переменного тока. В
низковольтных сетях ТТ применяют при условии I1>(0.8-0.9)·IПРмакс, где IПРмакс – наибольшее
рабочее значение тока измерительного прибора. Коэффициент (0.8-0.9) вводится с целью
уменьшения наибольшего значения первичного тока до величины, при которой прибор может
длительно функционировать без опасности перегрева и выхода из строя (для многих приборов
их наибольший ток допускается только в течение достаточно ограниченного интервала
6
времени). В сетях 0,4 кВ при выполнении обратного условия I1v2,ψ1>ψ21) или меньше единицы при n2n2). Апертура характеризует
светособирающую способность ОВ: чем она больше, тем с большей площади источника
излучения можно собрать волновую энергию, но тем больше и ее рассеяние в волокне.
Волокно с меньшей апертурой требует лучше сфокусированного источника оптического
излучения (в качестве такового используют лазеры и лазерные светодиоды).
n2
1
2φ0к
φ1к
n1
3
2
n2
Рис.3.3.7 Схема ввода светового луча в торец ОВ для реализации процесса
ПВО (φ0к – критический угол ввода, φ1к – критический угол падения, 1 –
критический луч ввода, 2- закритический луч с преломлением в оболочке, 3 –
нормальный луч без преломления в оболочке)
В одномодовом ОВ показатели преломления n1 и n2 различаются всего на 0,5-1%
(например, n1=1,465, n2=1,460), их числовая апертура равна NA≈0,122, а угловая не превышает
70. Чем меньше апертура, тем сложнее ввести световой луч в волокно. Числовая апертура
характеризует все компоненты оптического канала – оптоволокна, источника и приемника
излучения. Все апертуры соединяемых компонентов должны быть согласованы друг с другом, в
частности, источник излучения должен иметь апертуру, не превышающую апертуру ОВ.
Конструкция ОВ влияет на выбор длины волны передаваемого светового сигнала,
определяя его затухание и дисперсию. В общем случае затухание – это ослабление светового
потока в оптоволокне, приводящее к тому, что амплитуда принятого сигнала на выходе
волокна меньше амплитуды переданного сигнала. Природа затухания может быть различной*.
Коэффициент затухания А для заданной длины волны определяют как отношение вводимой
в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Он
измеряется в децибелах**.
*Потери световой мощности подразделяют на потери ввода, поглощения, рассеивания, изгиба, соединения
и вывода. Потери ввода связаны с несогласованностью апертур источника света и волокна. Потери поглощения
40
разделяют на внутренние, связанные с молекулярным резонансом в материале и с превращением света в тепловую
энергию, и внешние, определяемые наличием в материале микропримесей (в первую очередь непрозрачных для
света гидроксильных групп ОН). Потери рассеяния вызываются дефектами сердцевины и наличием в ней
посторонних примесей, которые влияют на прохождение светового луча по правильной траектории (приводят к его
отклонению, уменьшению угла преломления с выходом части луча в оболочку и частичному отражению луча в
обратную сторону). Потери изгиба связаны с изгибами волокна, влияющими на изменение угла преломления луча
и вызывающие его рассеивание в оболочку, т.е. нарушающие процесс ВПО (различают микроизгибы –
микроскопические изменения геометрии сердечника, созданные в процессе производства волокна, и макроизгибы –
большие изгибы, превышающие минимально допустимый радиус внешнего изгиба волокна Rи). Потери
соединения вызываются дефектами, связанными с соединениями источника и приемника света с ОВ, а также
соединениями отдельных участков ОВ друг с другом. Потери вывода аналогичны потерям ввода.
** Децибел (дБ, dB) – логарифмическая единица измерения отношения двух значений какой-либо
физической величины или затухания (усиления) этой величины. Затухание А (усиление S) устройства или канала
связи – это десятичный логарифм отношений значений мощности Р1 на входе (Р2 на выходе) к значению мощности
Р2 на выходе (Р1 на входе): 10lgР1/Р2 (10lgР2/Р1) [3.36]. Примеры конкретных отношений величин и их децибелы
приведены нище в таблице.
Таблица перевода отношений в децибелы
Процессы
Затухание
Если при затухании 20 Дб/км (характерно для первых ОВ 70-хх годов) световой сигнал на выходе
километрового отрезка волокна ослаблялся в 100 раз, то для лучших современных одномодовых ОВ с затуханием,
близким к теоретическому пределу и не превышающим 0,2 Дб/км, ослабление сигнала происходит не более, чем на
4,6%.
Коэффициент затухания А нелинейно зависит от параметров ОВ и длины волны света
(рис.3.3.8). Обычное кварцевое ОВ прозрачно в ближней ИК- области оптического излучения с
длиной волны до λ≈2 мкм (существуют инфракрасные ОВ, сделанные из специальных
легированных стекол, которые прозрачны для среднего ИК-излучения с длиной волны λ≈2-10
мкм).
А,дБ
Окна
прозрачности
20
Поглощение
1
λ,нм
0,2
Видимый
свет
850
1300
1550
Рис.3.3.8 Зависимость коэффициента затухания А от длины волны λ для
обычного кварцевого ОВ в ближней ИК-области оптического излучения
График имеет несколько участков - окна прозрачности, где затухание минимально:
окна 820-880, 1285-1330 и 1525-1575 нм. Из-за большого затухания видимый свет диапазона
0,4-0,7 мкм в передаче светового сигнала по обычному кварцевому ОВ не используется
41
(имеются специальные ОВ для работы и в видимой части спектра). Наиболее эффективна для
передачи светового сигнала длина волны из второго и третьего окон прозрачности.
Под дисперсией в общем случае понимают «растягивание» светового сигнала во время
его передачи по ОВ, что ограничивает скорость передачи данных и снижает полосу
пропускания канала*.
*Различают два основных типа дисперсии: модовую и хроматическую. Первая связана с различным
временем прохождения разных мод и характерна для многомодового ОВ (см.рис.3.3.6,а). Вторая определяется
зависимостью скорости распространения светового луча от длины волны источника излучения: любой реальный
источник, в отличие от идеального, излучает свет в некоторой полосе частот, и составляющие светового сигнала,
имеющие близкие, но разные длины волн, достигают конца ОВ с различными задержками, искажая, подобно
модовой дисперсии, исходный сигнал на выходе ОВ. Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм·км и физически
может быть представлена как разность времени прохождения сигналами двух длин волн ОВ длиной 1 км.
Если введенный в волокно свет линейно поляризован, то в идеальных условиях
распространения (однородная структура и круглое сечение волокна по всей его длине, ввод
излучения в волокно строго под углом ПВО), он сохраняет свое состояние поляризации по
мере распространения в волокне. В реальном же ОВ из-за неидеальности геометрических
размеров его сердцевины и различных механических и иных факторов (например, перегибов
волокна и его поперечных или продольных напряжений, вибраций, изменения температуры)
появляется некоторая ассиметрия показателя преломления в ортогональных направлениях
вдоль оси волокна. В одномодовом ОВ основная мода линейно поляризованного света
передается в виде двух ортогонально ориентированных волновых составляющих
(ортогональных мод Ех и Еy), разность скоростей распространения которых, вызванная
указанными факторами, приводит к искажению выходного сигнала и к его частичной
деполяризации. Это явление называют поляризационно-модовой дисперсией (ПМД). Она носит
статистический характер и не превышает, как правило, 0,5 пс/км. ПМД невозможно
компенсировать, и ее величина может быть понижена только за счет увеличения качества ОВ.
Обычное ОВ, применяемое в связи, не позволяет сохранять состояние поляризации. Для
этой цели используют специальные, «поляризационные» типы ОВ. Одномодовое ОВ, в котором
поляризация основной моды не искажается из-за случайных дефектов и флуктуаций показателя
преломления сердцевины, называют ОВ, сохраняющим (не искажающим, поддерживающим)
поляризацию [3.38]. Если сделать разность скоростей ортогональных мод Ех и Еy и
соответственно разность их фаз такой, чтобы она превышала возможные фазовые
флуктуационные изменения, то распространение света по волокну перестанет зависеть от этих
изменений, т.е. его линейная поляризация полностью сохранится. Получить большую разность
фаз, достаточную для всей длины волокна, можно в ОВ с эллиптическим сердечником или
эллиптически напрягаемой оболочкой. Однако для измерения тока такие ОВ непригодны, так
как в этом случае нужны ОВ с циркулярным состоянием поляризации. Например, один из
возможных типов таких ОВ – «крученое» ОВ – получают за счет быстрого вращения кварцевой
заготовки в процессе вытяжки волокна и «замораживания» при этом его спиралевидной
структуры .
Еще один из путей повышения поляризационной стабильности ОВ – применение
микроструктурированного оптического волокна (МОВ) или «дырчатого» ОВ, содержащего
вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром
1-2 мкм с n2=1, сильно влияющих на оптические и поляризационные свойства волокна [3.39].
В частности, эти каналы компенсируют (за счет изменения своей формы) температурные и
механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала. Различные
«крученые» и «дырчатые» ОВ используют в ОТТ и ОПТ для сохранения поляризации светового
сигнала в процессе его передачи по волокну.
Кварцевое ОВ, как среда передачи светового сигнала, обладает низкими потерями
энергии (менее 0,2Дб/км для λ=1,55 мкм), широкополосностью (6-10кГц), малыми габаритами
