Pomiar prądu roboczego wyłącznika przy zastosowaniu magnetooptycznego przekładnika prądowego

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki porównawcze badań z zastosowaniem czujnika magnetooptycznego do pomiaru prądu roboczego w torach prądowych wyłącznika SN. Badania wykonano przy zastosowaniu dwóch czujników światłowodowych przeznaczonych do współpracy z długościami fali świetlnej: 635 nm i 1550 nm. Przedstawiono analizę przetwarzania czujników.

1. WPROWADZENIE

Jednym z przykładów zastosowań czujników optycznych do pomiaru prądu jest przemysł metalurgiczny. Produkcja aluminium, manganu, miedzi, cynku wymaga zasilania w energię elektryczną prądu stałego o natężeniu do 500 kA przy napięciu 1 kV.  Przy takich parametrach zasilania zachodzi konieczność pomiaru prądu stałego o natężeniu setek tysięcy amperów. Aby skutecznie były kontrolowane procesy, urządzenia pomiarowe muszą zapewniać pomiar prądu z dokładnością rzędu 0,1 %. Wymóg takiej dokładności pomiaru wynika z faktu, że przy parametrach zasilania 500 kA i 1 kV niedokładność pomiaru na poziomie 0,1 % powoduje różnicę 0,5 MW mocy, która mogłaby zapewnić energię elektryczną dla tysiąca gospodarstw domowych. Tradycyjne przetworniki pomiarowe – do 500 kA – wykorzystujące efekt Halla, charakteryzują się skomplikowaną budową, dużymi gabarytami oraz masą. Te o najwyższych zakresach pomiarowych, mogą ważyć 2000 kg i pobierać do 10 kW mocy. Zastosowanie światłowodowego czujnika prądu umożliwia na znaczne uproszczenie systemu pomiarowego [1, 2].

Z analizy literatury oraz innych źródeł informacji wynika, że zastosowań światłowodowych czujników prądu pełniących rolę przekładników prądowych najwięcej jest w elektroenergetyce oraz w tych gałęziach przemysłu, które wymagają zasilania w energię elektryczną dużej mocy [3, 4, 5]. Powszechne zainteresowanie zastosowaniem światłowodów do pomiaru silnych prądów w środowisku średnich i wysokich napięć wynika z ich własności [6]. Niewielkie wymiary czujnika światłowodowego przekładają się na niższe koszty materiałów i zużycia energii podczas ich produkcji, a także łatwiejszy transport i montaż. Przekładniki do pomiaru prądu i napięcia są kluczowymi elementami w systemie wytwarzania, przesyłu, rozdziału i dystrybucji energii elektrycznej. Przewiduje się, że w przyszłości konwencjonalne przekładniki transformatorowe zostaną zastąpione przez przekładniki światłowodowe.

W artykule przedstawiono wyniki porównawcze badań z zastosowaniem czujnika magnetooptycznego do pomiaru prądu roboczego w torach prądowych wyłącznika SN. Taki czujnik pozwala na integrację z wyłącznikiem, co prowadzi do zmniejszenia zajmowanej powierzchni rozdzielni w porównaniu z układem zawierającym konwencjonalne przekładniki prądowe. Niewielkie wymiary czujników umożliwiają zastosowanie rezerwowego systemu pomiarowego na torze prądowym (redundancja).

W kontekście przewidywanego dostosowania urządzeń i aparatów elektroenergetycznych w sieci dystrybucyjnej i przesyłowej do standardu IEC61850,  przedmiot badań pozwala na łatwiejsze dostosowanie się do wymogów poprzez zintegrowanie czujnika optycznego z urządzeniem Merging Unit [7]. Połączenie między czujnikiem, a urządzeniami elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej może być zrealizowane za pomocą sieci Ethernet.

2. Stanowisko  Badawcze

Pomiary prądów roboczych przy zastosowaniu metody magnetooptycznej przeprowadzono w układzie przedstawionym na rys. 1. Badania wykonano z zastosowaniem dwóch źródeł światła o długościach fali λ₁ = 635 nm (czujnik światłowodowy S635 o średnicy zewnętrznej 0,9 mm (z warstwą zewnętrzną), nawinięty w kształcie cewki o liczbie zwojów z₁ = 9) i λ₂ = 1550 nm (czujnik światłowodowy S1550 z domieszką erbu (Er) i glinu (Al), o średnicy zewnętrznej 0,2 mm, nawinięty w kształcie cewki o liczbie zwojów z₂ = 34).  Źródłem prądu była bateria kondensatorów energetycznych (energia baterii 0,555 MJ) umożliwiająca uzyskiwanie prądu I_max = 16 kA przy częstotliwości 60 Hz (rys 1). Czujniki optyczne zostały zainstalowane w otoczeniu toru prądowego na wyjściu z bieguna modelowego wyłącznika próżniowego.

3. WYNIKI BADAŃ

Wyniki pomiarów prądów roboczych stanowią oscylogramy z pomiarów napięć przy zastosowaniu oscyloskopu i boczników pomiarowych. Poniżej, na rysunkach  2 do 6 przedstawiono wybrane wyniki pomiarów.

 

W celu porównania wyników pomiarów prądu, wykonano pomiary pola magnetycznego w otoczeniu toru prądowego na wejściu układu stykowego w rozbieralnej  komorze próżniowej. Pomiarów dokonano przy użyciu miernika pola magnetycznego z sondą Halla. Sondę ustawiono w odległości x = 3 mm od powierzchni przewodnika. Na rys. 6 przedstawiono wybrany wynik pomiarów pola magnetycznego przy zastosowaniu miernika pola z sondą Halla, zaś na rys. 7 przedstawiono wybrany wynik analizy numerycznej rozkładu pola magnetycznego w układzie stykowym unipolarnym. Analizę numeryczną przeprowadzono przy użyciu programu Maxwell 3D.

4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

Na rysunkach 2 do 5 przedstawiono wyniki pomiarów prądu I oraz napięcia  U_d z zastosowaniem czujników S635 i S1550. W celu porównania odpowiedzi obu czujników, mających różną liczbę zwojów, wprowadzono współczynnik k_z:

       (1)

gdzie: U_dm – wartość szczytowa napięcia wyjściowego fotodetektora dla  m-tego półokresu przebiegu prądu, z_i – liczba zwojów światłowodu czujnika (i = 1 dla czujnika S635, i = 2 dla czujnika S1550).

W tabeli 1 przedstawiono wartości współczynnika k_z dla m = 1 półokresu przebiegu prądu. Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono wartości współczynnika k_z dla m = 1…12 półokresu przebiegu prądu dla badanych czujników.

Tab. 1. Wartości współczynnika k_z dla m = 1 półokresu przebiegu prądu

Czujnik/współczynnik ki	k1 [V/zwój]	k2 [V/zwój]
Czujnik S635 (z1 = 9)	0,0164 (I =  6,20 kA)	0,0277 (I =  11,00 kA)
Czujnik S1550 (z2 = 34)	0,0179 (I =  6,26 kA)	0,0313 (I =  11,20 kA)

Z przeprowadzonej analizy wynika, że czujnik S635 (z₁ = 9, λ₁ = 635 nm) charakteryzuje się bardzo zbliżonymi wartościami współczynnika k_z jak dla czujnika S1550 (z₂ = 34, λ₂ = 1550 nm). Należy zaznaczyć, że czujnik S1550 w swojej strukturze zawierał domieszki erbu (Er) i glinu (Al). Poprzez domieszkowanie pierwiastkami, np. granatem gadolinem, kadmem, terbem, erbem istnieje możliwość wpływania na właściwości metrologiczne światłowodów [8, 9].

W celu porównania odpowiedzi czujników S635 i S1550, mających różną liczbę zwojów, uwzględniono czułość czujnika k_c:

 (2)

gdzie: U_dm – wartość szczytowa napięcia wyjściowego fotodetektora dla  m-tego półokresu przebiegu prądu, I_m – wartość szczytowa prądu łączeniowego dla  m-tego półokresu przebiegu.

Na rys. 10 przedstawiono przebiegi zmian wartości czułości czujników S635 i S1550 dla wartości prądu szczytowego I_max = 6,20 kA i I_max = 11,20 kA.  Analizując dane zawarte na rys. 10 można stwierdzić, że czujnik S635 (z₁ = 9, λ₁ = 635 nm) charakteryzuje się znacznie większą stabilnością wartości czułości w porównaniu do czujnika S1550 (z₂ = 34, λ₂ = 1550 nm).

W oparciu o przeprowadzone badania planowane jest opracowanie i wykonanie magnetooptycznego systemu pomiaru prądu w trzech fazach wyłącznika próżniowego.  Schemat ideowy pomiaru prądu w torze wyłącznika za pomocą magnetooptycznego czujnika światłowodowego przedstawiono na rys. 11.

5. PODSUMOWANIE

Czujnik światłowodowy S635 charakteryzuje się większą stabilnością czułości i może być zastosowany do pomiaru prądu w torach prądowych wyłącznika SN.

6. LITERATURA

1. Bohnert K., Gabus P., Brändle H., et. al., Fiber-Optic Current Sensor for the Electro-Chemical Industry, Sensoren und Messsysteme, (2006), [Technical Digest 103-106]
2. Bohnert K., Brändle H., Brunzel M. G., Gabus P., Guggenbach P., Highly Accurate Fiber-Optic DC Current Sensor for the Electrowinning Industry, IEEE Industry Applic., Vol. 43, No 1, (2007), 180-187
3. Błażejczyk T., Sibilski H., Krasuski K.: Measurements of Current in Bus Bar Using Fiber Optic Sensors, International Conference on High Voltage Engineering and Application, 2014, http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7035495.
4. Rogers A. J., Optical-fibre current measurement, Int. J. Optoelectronics, 3 (1988), 391–407
5. Bosselmann T., Magneto- and electro-optic transformers meet expectations of power industry, Proc. OFS’12, (1997), 111–114
6. Błażejczyk T., Using The Faraday Effect in Investigations of Magnetic Fields, Proceedings of Electrotechnical Institute, Issue 246 (2010), 13-33
7. Gontarz K., Kowali R., Rasolomampionona D.D., Januszewski M.: Konstrukcja i działanie przykładowego urządzenia Merging Unit, Acta Energetica 1/18, 2014, str. 51-58.
8. Mihailovic P., Petricevic S., Stojkovic Z., Radunovic J. B., Development of a Portable Fiber-Optic Current Sensor for Power System Monitoring, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 53, No. 1, (2004), 24-30
9. Ni X., Huang M., Faraday effect optical Current/magnetic field sensors based on cerium-substituted yttrium iron garnet single crystal, Power & Energy Engineering Conference APPEEC 2010, Asia-Pacific, (2010), 1-4

Tomasz Błażejczyk, Krzysztof Krasuski,
Instytut Elektrotechniki, Zakład Wielkich Mocy