Результат интеллектуальной деятельности: ПОДСТАНЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ ТОК ИЛИ ПОСТОЯННОГО В ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ ТОКА

Область техники

Изобретение относится к подстанции преобразования переменного тока в постоянный ток и постоянного в переменный ток высокого напряжения, имеющей помещение с проходным изолятором, проходящим через стену этого помещения. Также преобразовательная подстанция содержит волоконно-оптический датчик тока.

Уровень техники

Подстанции преобразования переменного тока в постоянный или постоянного тока в переменный ток содержат оборудование для преобразования постоянного тока в переменный ток высокого напряжения и наоборот и применяются для передачи электрической энергии, где обычные напряжения постоянного тока составляют порядка нескольких 100 кВ. На таких преобразовательных подстанциях возникает необходимость измерения постоянных токов.

Традиционное измерение постоянного тока в системах передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) осуществляется трансформаторами постоянного тока (DCCT) на основе автоматического согласования ампер-витков при протекании токов первичной и вторичной обмотки посредством определения нулевого потока в магнитном сердечнике трансформатора (ссылка 11). Электрическая изоляция от высокого напряжения трансформаторов постоянного тока в виде бумаги и масла приводит к необходимости использования громоздких устройств, устанавливаемых на фарфоровых изоляторах.

Оптические трансформаторы постоянного тока, в которых используются оптические волокна для электрической изоляции, снижают риск пробоя, взрыва и вредного воздействия на окружающую среду, вызванного применением масляных фарфоровых изоляторов.

Современный уровень техники в области измерения высокого напряжения предполагает применение оптических трансформаторов постоянного тока на основе датчиков тока с низким сопротивлением, включенных в первичную токовую цепь. Оптоэлектронный модуль, расположенный вместе с токовым шунтом, при высоком потенциале производит отбор и преобразование измеренного в зависимости от тока падения напряжения на сопротивлении в поток последовательных данных. Последовательные данные передаются в виде оптического цифрового сигнала по волоконно-оптической линии передачи на интерфейс диспетчерского пункта. Питание, подаваемое на оптоэлектронный модуль, одновременно передается в виде луча лазера от интерфейса к преобразователю тока.

Благодаря охлаждающей способности корпуса преобразователя тока ограничивается допустимый ток по нагреву традиционных оптических трансформаторов постоянного тока для данного типа датчика.

По конструкции волоконно-оптические датчики тока почти не зависят от тепловых токов, обычно указанных для измерительных устройств, необходимых при электропередаче в энергосистеме постоянного тока высокого напряжения.

Ссылочный документ 1 описывает принцип свободного от напряжения конструктивного расположения и ориентацию измерительного волокна волоконно-оптического датчика тока, например, для точного измерения сильных постоянных токов в плавильных печах для алюминия.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание подстанции преобразования переменного тока в постоянный или постоянного в переменный ток высокого напряжения с датчиком тока, который удобно устанавливать и эксплуатировать.

Эта задача решена в подстанции преобразования переменного тока высокого напряжения в постоянный ток и постоянного тока высокого напряжения в переменный согласно п.1 формулы изобретения. Соответственно подстанция обеспечена измерительным волокном и оптоэлектронным модулем для измерения тока на основе эффекта Фарадея в измерительном волокне. Измерительное волокно помещается на нижней части проходного изолятора или на стене вокруг нижней части проходного изолятора. Такое конструктивное решение позволяет размещать волокно на нулевом потенциале и в месте, легко доступном, например, при установке или техническом обслуживании.

Предпочтительно, чтобы измерительное волокно вкладывалось в гибкую измерительную полосу и функционировало в отраженной волне. Измерительная полоса помещается в модульную чувствительную головку. Чувствительная головка прикрепляется к проходному изолятору или к стене помещения, поддерживающей проходной изолятор.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно, а цели и задачи, за исключением вышеупомянутых, станут очевидными, когда их рассмотрение дается с помощью подробного описания. Такое описание содержит ссылки на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг.1 - сечение преобразовательной подстанции,

Фиг.2 - возможная конструкция оптоэлектронного датчика тока совместно с чувствительной волоконно-оптической головкой,

Фиг.3 - сечение несущей полосы с оптическим волокном,

Фиг.4 - сечение, параллельное продольной оси проходного изолятора,

Фиг.5 - сечение по линии V-V на Фиг.4,

Фиг.6 - сечение чувствительной головки согласно второму варианту реализации изобретения,

Фиг.7 - сечение измерительной полосы, имеющей два витка,

Фиг.8 - сечение измерительной полосы с несколькими вложенными витками из оптического волокна,

Фиг.9 - сечение через фиксатор и адаптер в альтернативном конструктивном исполнении,

Фиг.10 - сечение чувствительной головки согласно третьему варианту реализации изобретения,и

Фиг.11 - сечение вдоль линии XI-XI, показанной на Фиг.10.

Варианты осуществления изобретения

Принцип передачи постоянного тока заключается в преобразовании переменного тока в постоянный в подстанции преобразования переменного тока в постоянный, передаче энергии по 2-полюсной линии передачи и обратном преобразовании энергии в переменный ток в подстанции преобразования постоянного тока в переменный (Ссылка 12).

Преобразовательная подстанция 1, как показано на Фиг.1, состоит из станции переменного тока с фильтрами переменного тока и системой размыкателей, преобразовательных трансформаторов, тиристорных преобразователей 2 и станции постоянного тока со сглаживающим реактором и фильтрами постоянного тока. Тиристорные преобразователи расположены в помещении 3. Высоковольтные стенные проходные изоляторы 5 применяются для соединения тиристорных преобразователей в помещении 3 с внешним оборудованием на станциях переменного и постоянного тока.

Каждый проходной изолятор 5 содержит провод 4 осевого расположения для подачи постоянного тока через стену 3а помещения 3. Далее он содержит основание 5а, которое соединено со стеной 3а и, следовательно, должно быть на нулевом потенциале. Первый и второй держатели 5b, 5с отходят от соосных торцевых поверхностей 5f, 5g основания 5а и состоят из двух изолирующих трубок 5d, которые окружают провод 4 и снабжены ребрами изолятора 5е, как известно специалистам в этой области. Каждый держатель 5b, 5с поддерживает соединительный электрод 5i для соединения проходного изолятора 5с высоковольтными кабелями.

Установка чувствительной головки

Известные преобразователи тока заранее устанавливаются при высоком напряжении на входе линии передачи постоянного тока и внутри помещения между стенным проходным изолятором и системой преобразователя.

В настоящем изобретении чувствительная головка 6а датчика тока 6, которая содержит в себе измерительное волокно 7, как описывается ниже, располагается на основании 5а проходного изолятора 5 и/или на стене 3а вблизи основания 5а. Такое размещение имеет несколько преимуществ:

- чувствительная головка 6а, содержащая измерительное волокно 7, и, следовательно, волоконно-оптический кабель между головкой и измерительной электроникой находятся на нулевом потенциале. Поэтому не требуется высоковольтный защитный кабель или изолирующий контакт;

- датчик может монтироваться или демонтироваться без создания помех для высоковольтной линии электропередачи;

- поскольку чувствительная головка является диэлектрической, то не происходит особого искажения распределения электрического поля на проходном изоляторе;

- датчик может быть установлен внутри помещения 3, и, следовательно, не требуется какого-либо защиты от воздействия погодных условий;

- возможность модернизации оборудования.

В варианте реализации, изображенном на Фиг.1, чувствительная головка 6а и, следовательно, измерительное волокно 7 расположены на внутренней осевой торцевой поверхности 5f основания 5а. Если допустима установка вне помещения, то чувствительная головка 6а может также располагаться на внешней осевой торцевой поверхности 5g основания 5а. В еще одном варианте, как описывается ниже, чувствительная головка 6а может быть расположена по окружности 5h основания 5а, т.е. по поверхности основания 5а, которая обращена от провода 4 (пунктирные линии 9b). И наконец, чувствительная головка 6а также может встраиваться в основание 5а, как показано пунктирными линиями 9а на Фиг.1.

Чувствительная головка 6а может поддерживаться самим проходным изолятором 5 или стеной 3а. Если она закрепляется на стене 3а, то предпочтительно ее размещать радиально снаружи основания 5а, где электрические поля минимальны. Возможное размещение чувствительной головки 6а, укрепленной на стене 3а, показано пунктирными линиями на Фиг.1 позицией 9b.

Предпочтительное размещение чувствительной головки 6а и соответственно измерительного волокна 7 зависит от конкретного диаметра проходного изолятора, окончательного диаметра намотки из волокна и применяемого типа измерительного волокна.

Предпочтительным измерительным волокном 7 является одномодовое волокно с низким двулучепреломлением. В данном случае предпочтительными являются относительно большие диаметры витков (например, минимальный диаметр 40 см, но предпочтительно больше 60 см), если вызванное изгибом напряжение в измерительном волокне не снимается путем термического отжига. Другим предпочтительным типом волокна является так называемое скрученное волокно с высоким двулучепреломлением (ссылка 7). Этот тип волокна может применяться при малом радиусе витка волокна без термического отжига измерительного волокна.

Датчик тока

Как упоминалось выше, в датчике тока использован магнитооптический эффект (эффект Фарадея) в волокне 7. Предпочтительным исполнением датчика является интерферометрический датчик, изображенный на Фиг.2 и описанный в ссылочных материалах 1-4.

Оптоэлектронный модуль 8 содержит источник света 10, свет от которого деполяризуется в деполяризаторе 11, затем посылается через волоконный блок сопряжения 12 в поляризационный фазовый модулятор 13. Поляризационный фазовый модулятор 13 разделяет свет по двум направлениям, посылая один из них через угловой (90°) соединитель 14, и объединяет их опять в блоке 15 сопряжения на основе волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения. Полученные в результате линейно-поляризованные световые волны в ортогонально поляризованном направлении распространяются, посылаются через соединительное волокно 16, сохраняющее поляризацию проходящего излучения (pm). Малая часть волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения (например, волокно с эллиптической серединой), служит в качестве четвертьволновой фазовой пластинки 17 и преобразовывает линейно поляризованные волны в левую и правую циркулярно-поляризованную волны. Круговые волны, проходящие через измерительное волокно 7, отражаются на отражателе 18 на дальнем конце измерительного волокна и затем возвращаются с поменявшейся поляризацией. Фазовая пластинка (17) преобразовывает круговые волны обратно в ортогональные линейные волны. Магнитное поле тока производит дифференциальный фазовый сдвиг Δφ между левой и правой циркулярно-поляризованными световыми волнами. Возвращающиеся линейные волны имеют одинаковый фазовый сдвиг Δφ. Δφ пропорционален току. Фазовый сдвиг Δφ определяется способом, известным из волоконно-оптических гироскопов (ссылки 5, 6).

Следует отметить, что изобретение не ограничивается интерферометрическими волоконно-оптическими датчиками тока, как показано на Фиг.2, также могут применяться другие, в частности, поляриметрические датчики. В поляриметрическом датчике магнитооптический эффект определяется как вращение линейно поляризованной световой волны.

Установка оптоэлектронного модуля

Оптоэлектронный модуль 8, содержащий источник света, блок приема сигналов и обработки данных, а также электронный блок сопряжения, предпочтительно устанавливать в помещении 3. Волоконно-оптический кабель 39 защищает соединительное оптическое волокно между чувствительной головкой и электронным оборудованием. Предпочтительно соединительное оптическое волокно имеет оптический соединитель, чтобы чувствительная головка и электронное оборудование могли быть отделены друг от друга, например, во время транспортировки и установки.

Конструкция чувствительной головки

а) измерительное волокно с низким двулучепреломлением.

Фиг.4 и 5 показывают возможный вариант реализации чувствительной головки 6а, которая позволяет устанавливать измерительное волокно 7 по окружности 5h основания 5а. Как видно, наружный защитный корпус 24 прикрепляется к основанию 5а и заключает в себе опорную деталь 25 и кольцевой канал или кольцевую камеру 27. Опорная деталь является цилиндрической. В канале 27 пенопластовая прокладка 28 крепится к опорной детали 25 и, в свою очередь, поддерживает измерительную полосу 29. Как описывается ниже, измерительное волокно 7 располагается на измерительной полосе 29.

Опорная деталь 25 может быть деталью, представляющей одно целое с корпусом 24, или деталью, прикрепленной к нему путем приклеивания, привинчивания и т.п.

В частности, как видно на Фиг.5, по меньшей мере один фиксатор 31 применяется для закрепления измерительной полосы 29 на месте, в частности для закрытия волоконного витка (см. ниже). Далее, адаптер 32 крепится к чувствительной головке 6а для соединения измерительной полосы 29 с волоконно-оптическим кабелем 39 соединительного волокна 16.

Как упомянуто выше, измерительное волокно 7 предпочтительно размещать в гибкой измерительной полосе 29, например, из волокна, усиленного эпоксидной смолой, как описано в ссылке 1 и как показано на Фиг.3. Голое измерительное волокно 7 (без покрытия) и фазовая пластинка 17 помещены в тонкий предохраняющий кремниевый капилляр 33, как описано в ссылке 8. Капилляр 33 защищен, например, тонким полиимидным покрытием и наполнен смазочным средством 34 во избежание трения между волокном и стенками капилляра. Капилляр помещен в силикон или смолу 35 в выемке 36 измерительной полосы 29. Выемка 36 может быть, например, прямоугольной или треугольной формы. Предпочтительно продольная ось капилляра находится в нейтральной плоскости измерительной полосы 29 (на полутолщине полосы), так что изгибание полосы не вызывает деформацию капилляра.

Такой способ размещения волокна предотвращает связанное с монтажом воздействие на волокно в широком диапазоне температур и приводит к высокой устойчивости и точности датчика. Измерительная полоса 29 служит в качестве надежной механической защиты капилляра, а также определяет воспроизводимый фазовый угол фазовой пластинки 17 и волокна, дальнейшие предпосылки для воспроизводимости с высоким коэффициентом масштабирования, см. ссылки 1 и 9. В частности, заданный фазовый угол является существенным, если ориентация фазовой пластинки 17 отклоняется от 90°. Подобное отклонение может быть результатом производственных допустимых отклонений или может быть специально внесенным в данном случае для температурной компенсации эффекта Фарадея (см.ниже).

Измерительное волокно 7 формирует целое число витков вокруг провода 4, чтобы определять, что датчик измеряет интеграл по замкнутому контуру магнитного поля. Таким образом, сигнал не зависит от распределения магнитного поля, и на него не влияют токи, текущие за пределами сердцевины волокна. Чтобы должным образом замыкать измерительную полосу, полоса имеет метки или т.п., разделенные длиной измерительного волокна. Предпочтительно метки находятся на концах измерительного волокна или рядом с ними. Измерительная полоса устанавливается в чувствительной головке 6а на кольцеобразной опорной детали 25 таким образом, чтобы метки совпадали, т.е. так, чтобы они находились в одинаковом положении на окружности. Фиксатор 31 держит перекрывающиеся части полосы на месте. Пенопластовая прокладка 28 может вставляться между измерительной полосой и основной опорной деталью во избежание создания напряженного состояния в результате неравномерного теплового расширения.

В другом варианте реализации, показанном на Фиг.6, измерительная полоса 29 может быть в принципе незакрепленной и поддерживаться только в нескольких местах с помощью нескольких расположенных на определенном расстоянии друг от друга радиальных опорных элементов 37, одним из которых может быть фиксатор 31, причем фиксатор 31 используется для замыкания контура на вышеупомянутых метках. Опорные элементы 37 держат измерительное волокно 7 на измерительной полосе 29, удерживаемой на расстоянии от опорной детали 25.

Вообще предпочтительно, чтобы чувствительная головка 6а имела модульную структуру, которую можно присоединить после установки проходного изолятора.

Предпочтительно адаптер 32 кабель/измерительная полоса, который присоединяет кабель 39 соединительного волокна 16, прикреплен к корпусу 24 чувствительной головки 6а так, чтобы он действовал так же, как зажим для кабеля 39.

При высоких номинальных токах один виток может быть уже достаточен. Действительно, обнаружено, что датчик с одним витком является особенно предпочтительным вариантом. Если требуется большее количество витков, то измерительная полоса 29 может иметь два или более наложенных один на другой витка, как показано на Фиг.7, где измерительная полоса 29 удерживает одно чувствительное волокно 7, которое имеет обычно ту же длину, что и измерительная полоса 29, и измерительная полоса 29 наматывается несколько раз вокруг провода 4. Существенное преимущество такой конструкции состоит в том, что датчик можно легко соединять с уже вмонтированным проходным изолятором.

С другой стороны, датчик может иметь только один виток измерительной полосы 29, содержащей несколько витков капилляра 33 с измерительным волокном 7 внутри, как показано на Фиг.8. Здесь необходима гарантия того, что длина измерительного волокна кратна длине измерительной полосы.

Предпочтительно, чтобы температурная зависимость эффекта Фарадея (постоянной Верде, 7×10^-5 °С^-1) компенсировалась, как описано в ссылочном документе 10 и 3. В данной работе фазовая пластинка 17 перед измерительным волокном 7 изготовлена так, что она оказывает особое влияние на температурную зависимость, что компенсирует температурную зависимость постоянной Верде. Однако в дальнейшем возрастающее влияние на температурную зависимость датчика оказывает тот факт, что температурное расширение измерительной полосы 29 (обычно около 10^-5 °С^-1) больше, чем температурное расширение измерительного волокна 7 (0,5×10^-6 °С^-1). В результате виток волокна полностью закрыт (т.е. концы измерительного волокна находятся в одинаковом радиальном положении) только при определенной температуре, обычно при комнатной температуре. Поскольку волокно 7 в капилляре 33 не зависит от температурного расширения измерительной полосы 29, то концы волокна совмещаются несколько ниже комнатной температуры, в то время как при превышении комнатной температуры между концами образуется малый тангенциальный зазор. Совмещение немного увеличивает чувствительность датчика, тогда как зазор незначительно уменьшает его чувствительность. Таким образом, эффект является обратным по отношению к температурной зависимости постоянной Верде. Тогда общая температурная зависимость составляет 6×10^-5 °С^-1, если температурное расширение измерительной полосы 29 составляет 10^-5 °С^-1. Предпочтительно фазовая пластинка 17 изготавливается так, чтобы она компенсировала общую температурную зависимость, т.е. фазовая пластинка устанавливается так, что ее влияние соответствует величине - 6×10^-5 °С^-1.

В качестве альтернативы измерительной полосе из эпоксидной смолы может также служить измерительная полоса, образованная с помощью соответствующего тонкостенного трубчатого волоконно-оптического кабеля 40, как изображено на Фиг.9, где представлено радиальное сечение такой чувствительной головки в районе фиксатора 31. Волоконно-оптический кабель 40 опять снабжен метками и/или фиксаторами, которые позволяют с повторяемостью закрывать волоконно-оптическое кольцо.

Кольцо может также состоять из одного или нескольких витков. Если требуется воспроизводимая угловая фаза фазовой пластинки/волокна, то капилляр 33 в месте расположения или около фазовой пластинки 17 помещается в соответствующую адаптерную трубку 45. Уплотнитель 41 на концах капилляра гарантирует, что волокно повторяет любой угол поворота адаптерной трубки и капилляра. Фиксатор 31, закрывающий виток, также определяет надлежащее горизонтальное направление волокна.

В верхней половине Фиг.9 показывает начальную часть кольца кабеля 40, а в нижней половине - конечную часть кабеля 40 после одного витка. Как видно, обе части закреплены в фиксаторе 31.

Совершенно очевидно, что в принципе может применяться один и тот же тип компоновки чувствительной головки, как описано, например, на Фиг.4, 5, и в случае, когда чувствительная головка размещается в различных местах (3а, 5f) или когда она вмонтирована в основание 5а, как упомянуто выше.

b) Скрученное двулучепреломляющее измерительное волокно

Вместо волокна с низким собственным двулучепреломлением может быть использовано скрученное волокно с высоким двулучепреломлением, как известно из ссылки 7. Этот тип волокна является более устойчивым к воздействиям, чем волокно с низким двулучепреломлением, и, следовательно, волокно может быть встроено в эпоксидную полосу, армированную волокном, или храниться в волоконно-оптическом кабеле без капилляра. В качестве варианта оно может быть встроено в капилляр таким же способом, как волокно с низким двулучепреломлением, описанным выше.

c) Оптическое стекловолокно

Другой вариант заключается в применении оптического стекловолокна (ссылочный документ 13). Оптическое стекловолокно имеет очень малый коэффициент оптической чувствительности по напряжению и поэтому является также достаточно устойчивым к напряжению. Как и скрученное волокно с высоким двулучепреломлением, оно может быть встроено в эпоксидную полосу, армированную волокном, или может сохраняться в волоконно-оптическом кабеле без капилляра.

d) Отожженное измерительное волокно

При малых диаметрах витка (например, диаметрах витка меньше чем 40-60 см) или если применяется большее количество витков волокна, волокно может быть термически отожженным, как описано в ссылочном документе 3. В этом случае кольцо из оптического волокна заключается в жесткий кольцеобразный корпус.

Такой вариант показан на Фиг.10, 11, где кольцеобразный корпус вокруг провода 4 обозначен позицией 42, а волокно - позицией 43. Корпус имеет внутреннюю стенку 42а, граничащую с основанием 5а, наружную сторону 42b, обращенную наружу, а также две осевые стенки 42с и 42d, перпендикулярные им, и ограничивает кольцевое пространство для размещения волокна 43 или капилляра, заключающего в себя волокно. Пространство, ограниченное корпусом 42, может при желании заполняться заделывающим материалом 44.

Очевидно, что капилляр, заключающий в себе неотожженное измерительное волокно с низким двулучепреломлением, скрученное измерительное волокно с высоким двулучепреломлением или оптическое стекловолокно, может помещаться в жесткий кольцеобразный корпус, т.е. без использования измерительной полосы. Предпочтительно, чтобы капилляр или волокно затем заделывалось в мягкий материал, такой как силиконовый гель или пенопласт. Скрученное измерительное волокно с высоким двулучепреломлением и оптическое стекловолокно могут помещаться в корпус 42 без капилляра и с дальнейшим использованием любого заделывающего материала 44 или без него (Фиг.10).

Резервные датчики

В целях резервирования измерительная полоса может содержать два или более измерительных волокна, каждое из которых соединено с помощью соединительного волокна 16 со своим собственным электронным блоком. Каждое измерительное волокно можно разместить в отдельном капилляре, как описано выше, или один капилляр может содержать два или более измерительных волокна. Предпочтительно иметь общий кабель 39 для соединительных волокон 16. На оптоэлектронном конце кабеля волокна 16 индивидуально разветвляются по своим собственным оптоэлектронным блокам.

Другой вариант заключается в том, что имеются две или более измерительные полосы независимых датчиков, закрепленных на общей опорной детали 25.

И еще один вариант заключается в том, что две или более независимые чувствительные головки устанавливаются на проходном изоляторе.

Примечания

Приведенное в данном описании техническое решение обеспечивает несколько важных положений в отношении усовершенствования:

- принцип установки волоконно-оптического датчика тока на подстанции преобразования высокого напряжения постоянного тока;

- возможность размещения чувствительной головки внутри помещения, чтобы не создавать приспособления для защиты от влияния атмосферных воздействий;

- чувствительная головка может устанавливаться на потенциале земли для устранения необходимости защиты от высокого напряжения волоконно-оптической линии связи;

- описаны способы расположения и защиты измерительного волокна волоконно-оптического датчика тока для измерения тока на подстанциях преобразования постоянного тока высокого напряжения;

- изобретение дает возможность легко усовершенствовать установку датчика тока.

Источники информации

Цифровые позиции