Скрипка И.А., Козлов А.Н.
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ *
Аннотация:
оптоэлектронные трансформаторы напряжения представляют собой слияние оптических и электронных технологий для обеспечения точного и безопасного преобразования энергии. Эта технология становится все более привлекательной в наше время из-за своих уникальных свойств, включая высокую степень изоляции между высоковольтными и низковольтными цепями, минимальное воздействие электромагнитных помех и возможность передачи данных в качестве информационной нагрузки.
Ключевые слова:
оптоэлектронные трансформаторы, электрические сети, электронные технологии
Одним из главных направлений развития телекоммуникационных систем автоматического управления, является её комплексная микроминиатюризация. В этом плане наибольшие трудности представляет миниатюризация таких элементов как индуктивности, ёмкости, дроссели насыщения, трансформаторы и т.д. Поэтому замена электромагнитного трансформатора оптоэлектронными открывает путь к решению этой проблемы. Оптоэлектронные трансформаторы (ОЭТН) технологически, конструктивно и электрически совместимы с интегральными микросхемами.С этой целью исследование по созданию трансформаторов с фотонной связью различного типа представляют собой актуальной задачей микроэлектроники. Кроме того, на трансформаторах с индуктивной связью невозможна передача сигналов постоянного напряжения. Цифровая трансформация позволит повысить энергетическую безопасность регионов страны путем создания новых инфраструктурных возможностей и обеспечить новый уровень качества жизни населения благодаря новым стандартам обслуживания.Оптические трансформаторы напряжения предназначены для масштабного преобразования высокого значения напряжения переменного тока промышленной частоты 50 Гц с заземленной нейтралью в низкое значение напряжения переменного тока промышленной частоты 50 Гц и передачи результатов преобразования на электрические измерительные приборы, в системы коммерческого учета электрической энергии, устройствам измерения (в том числе показателей качества электроэнергии), защиты, автоматики, сигнализации и управления.Электрооптический измерительный преобразователь переменного напряжения основан на использовании электрооптического эффекта электрогирации.Принцип работы оптоэлектронных трансформаторов напряжения основан на использовании оптических методов передачи сигнала или энергии без прямого электрического контакта между входным и выходным участками. Вот общий принцип работы оптоэлектронных трансформаторов напряжения: входной сигнал или напряжение передается через светодиод, который преобразует электрический сигнал в световой поток. Когда входное напряжение применяется к светодиоду, он излучает свет в соответствии с входным сигналом.Световой поток, созданный светодиодом, переносится через изоляционный материал, обеспечивающий электрическую изоляцию между входным и выходным участками. Это позволяет избежать гальванической развязки и помех между участками.На стороне выходного участка световой поток инцидентирует на фотодетектор, который преобразует световой сигнал обратно в электрический. Фотодетекторы могут быть различных типов, включая фотодиоды или фототранзисторы.В основе работы ОТН лежит явление поворота вектора поляризации светового потока под действием электрического поля (электрооптический эффект Поккельса), который можно использовать для измерения напряжения [3].Сравнение ОТН с традиционными электрическими трансформаторами позволяет выделить основные различия и преимущества каждого типа устройств.Оптоэлектронные трансформаторы напряжения:1) Изоляция. Одним из основных преимуществ оптоэлектронных трансформаторов является высокий уровень изоляции между входом и выходом благодаря использованию оптических методов передачи сигнала.2) Малые габариты. Оптоэлектронные трансформаторы обычно компактны и могут быть интегрированы в устройства с ограниченным пространством.3) Надежность. За счет отсутствия механических контактов и электрической изоляции, оптоэлектронные трансформаторы обычно обладают высокой степенью надежности.4) Избегание электромагнитных помех. Такие трансформаторы минимизируют электромагнитные помехи и шумы в системе благодаря работе на принципах оптики.Традиционные электрические трансформаторы:1) Эффективность. Традиционные трансформаторы обеспечивают относительно высокий КПД и могут эффективно преобразовывать энергию при больших мощностях.2) Меньше чувствительны к окружающей среде. Они могут работать в различных условиях, включая экстремальные температуры и влажность, без значительного влияния на работоспособность.3) Долговечность. Традиционные трансформаторы, если правильно обслуживаются, могут иметь длительный срок службы.Оба вида трансформаторов имеют свои уникальные преимущества и области применения в зависимости от конкретных требований системы. Оптоэлектронные трансформаторы обычно используются там, где необходима высокая изоляция и минимизация помех, в то время как традиционные трансформаторы широко распространены в сетевой технике, передаче и распределении электроэнергии.Конструкция ОТНКонструкция состоит из следующих элементов [1]:• ячейка электрогирации, входные электроды которой подключены к измеряемому напряжению,• электронный блок, формирующий нормированный выходной сигнал,• блок вторичного преобразования измеренного сигнала в аналоговый вид.Особенностью конструкции является то, что в преобразователе измеряемое напряжение прикладывается непосредственно к торцам центрально симметричного кристалла.Преимуществами такой конструкции являются возможность измерения междуфазного напряжения, отсутствие пьезоэффекта.Рисунок 1. Структурная схема ОТН.Внешняя часть электронных трансформаторов устанавливается, как правило, на открытой части распределительных устройств, на вводах генераторов, а также может быть интегрирована практически в любую сетевую инфраструктуру без её изменения за очень короткое время. В процессе работы внешняя часть может подвергаться воздействию температур в интервале от -60 до +60ºС, в то время как рабочий диапазон температур окружающей среды для блока электроники – от -10 до +40ºС, причем блок располагается в помещении с однотипным по режимам работы оборудованием (устройства РЗА и ПА, АСУ и т. п.). Конструкция электронных блоков трансформаторов тока и напряжения не требует дополнительной температурной компенсации.Внешняя часть электронного трансформатора напряжения температурной компенсации не требует, так как емкостный делитель напряжения выполняется в виде единого высоковольтного конденсатора, который в процессе производства изготавливается из одного и того же материала, и основной задачей производителя является обеспечение поддержания точности соотношения емкостей делителя напряжения. Технология изготовления делителей обеспечивает надежную работу в заданном температурном диапазоне и стабильность характеристик, а также при необходимости позволяет обеспечить требуемую компенсацию температурного коэффициента емкости (ТКЕ), что легко обеспечивается в требуемом температурном диапазоне. При использовании резистивных делителей применяются специальные высокостабильные резисторы с очень малым коэффициентом температурной зависимости и высокой повторяемостьюПреимущества и недостатки ОТН.Так, ключевыми преимуществами оптических трансформаторов напряжения по сравнению с электромагнитными являются [1, 3. 8]:• Точность характеристик в широком диапазоне температур,• Широчайший частотный диапазон, который позволяет выполнять качества электроэнергии с учётом до 100 гармоник,• Исключение влияния нагрузки вторичных цепей,• Отсутствие электрических связей между силовыми и измерительными цепями, исключающее неправильную работу при аварийных режимах работы внешней сети,• Повышенная устойчивость оптоволоконных каналов к внешним электромагнитным помехам, а также низкая восприимчивость к вибрации и повышенная сейсмостойкость,• Меньшие вес и габариты по сравнению с аналогичными электромагнитными образцами,• Повышенная пожаробезопасность,• Длительный срок эксплуатации,Единственными недостатками являются относительно высокая стоимость таких трансформаторов на невысоких классах напряжения (до 110 кВ), а также условие замены такими трансформаторами масляных или элегазовых, предусматривающих только модернизацию, но не новое строительство.Также для высококвалифицированного эксплуатационного обслуживания сложного электронного устройства соответственно требуется более высококвалифицированный персонал, обслуживающий данные устройства.Таким образом, данное исследование позволяет сделать вывод о значительной значимости оптоэлектронных трансформаторов напряжения в современных электронных и энергетических системах, а также проложить путь для дальнейшего изучения и применения этой технологии в будущем
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Скрипка И.А., Козлов А.Н. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 2117 - 2124. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23253 (дата обращения: 13.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+