Мы попросили Николая Ивановича Старостина, можно сказать, стоявшего у истоков становления данного направления, рассказать нам о прошлом и настоящем оптических трансформаторов.

Цифровая подстанция: Какова история появления волокна в России и в мире?

Николай Старостин: Первое упоминание о световоде как элементе, который может проводить свет, относится ко второй половине XIX века. Впервые идею о канализации света высказал русский инженер Чиколев в 60-х годах XIX века. Он же в середине 70-х годов с помощью своего световода осветил погреба Охтинского порохового завода и помещения крупных магазинов Санкт-Петербурга. Световодом служила металлическая труба с зеркальными внутренними стенками, а источником излучения являлась угольная дуга «свеча Яблочкова». Возможность управления направлением распространения света с помощью изогнутой струи воды была также показана английским физиком Джоном Тиндалем в 1870 году на заседании лондонского Королевского общества. Свет распространялся по струе воды благодаря полным внутренним отражениям на границе «вода-воздух». Фактически на том же принципе, как это происходит в современных оптических волокнах.

С начала 50-х годов ХХ столетия в мире начались практические работы по разработке технологии массовых оптических волокон.

Но первые из них имели страшно большие потери — до 1000 дБ/км, и фактически можно было пользоваться только очень короткими отрезками таких оптических волокон, 2–3 метра, не более. В 1958 году советские физики Варгин и Вейнберг показали, что большие потери в волокне определяются большим количеством примесей — частиц металла в стекле, и что теоретически чистое стекло имеет практически нулевое поглощение. Через 8 лет английские специалисты подтвердили результат советских ученых, показав, что очистка стекла позволяет получить потери в световоде меньше 20 дБ/км.

В 1970 году компания Корнинг получила первое опытное волокно не хуже 16 дБ/км. Этот год можно считать датой рождения современного оптического волокна. Далее успехи нарастали, через пару лет потери уже достигли 4 дБ/км, в 1976 году на Западе была построена первая промышленная установка для вытяжки волокна, в 1978 году — первый завод по производству волокна. Что касается нашей страны, то в Советском Союзе также к 1975 году уже имелись волокна, близкие по параметрам к мировому уровню того времени. Первые волокна были получены в двух институтах Академии наук — в Институте общей физики РАН в группе Дианова (сейчас академика) под руководством академика Прохорова и в Институте радиотехники и электроники под руководством академика Котельникова в том же отделе, где находилась и находится сейчас моя лаборатория. Академик Прохоров был инициатором постановки производства волокна в СССР. Под его руководством было закуплено оборудование и размещено во Владимирской области, но, к сожалению, экономические и политические события того времени не позволили поставить производство оптического волокна. После девяностых годов и по настоящее время в России в основном производятся только специальные волокна. Такие волокна изготавливаются в упомянутых мною двух институтах РАН и еще в нескольких компаниях, таких, как Пермская научно-производственная приборостроительная компания (ПНППК), «НТО ИРЭ-Полюс» и НПК «Оптолинк». В прошлом году было анонсировано открытие завода по производству волокна в Саранске, но какие волокна будут выпускать, пока еще точно не решено.

ЦПC: Есть ли отличие между обычным оптоволокном, например, которое мы используем дома, и тем, что применяется в измерительных трансформаторах?

НС: Подавляющий объем волокон, поставляемых на рынок, это так называемые связные волокна. Они существенно улучшили качество нашей жизни, например, обеспечивают нам подводку интернета в квартиры. Основное требование к ним — это передача максимума информации с малыми потерями на максимальное расстояние.

Специфические же области применения требуют наличия специальных волокон, к которым предъявляют такие требования, как, например, сохранение поляризации светового излучения, усиление излучения, работа в экстремальных условиях, таких как радиация или высокая температура, порядка 500°С и т.д. (хотя и требование малых потерь, конечно, тоже никто не отменял). Существует порядка 20 типов специальных волокон. Среди них можно выделить активные волокна, фоточувствительные, магниточувствительные, микроструктурные, анизотропные волокна, радиационностойкие. Объем их потребления, конечно, существенно меньше связных, но он интенсивно растет.

В наших электронных оптических трансформаторах используется несколько видов специального волокна.

Это, прежде всего, анизотропное волокно, поляризующее и самое главное, которое используется в качестве чувствительного элемента, — магниточувствительное волокно, или его также называют spun-волокно. Основная задача всех этих волокон в том, чтобы поддерживать необходимые параметры излучения в условиях сильного перепада температур, обычно от —60°С до +60°С, изменения влажности, давления и т.д. И вот от особенностей этих волокон сохранять свои параметры в изменяющихся условиях окружающей среды напрямую зависит и точность измерения электронных оптических трансформаторов тока. История spun-волокна для измерения тока «уходит корнями» в Англию в Саутгемптонский университет, где был изготовлен опытный образец такого волокна. Один из пионеров spun-волокна — Дэвид Пэйн.

Разными производителями используется разный набор типов оптических волокон. Если обобщить, то главные волокна у всех производителей — специальные, но количество связного волокна у каждого производителя свое.

ЦПC: Правда ли, что чувствительное оптоволокно, которое используется западными компаниями в производимых ими измерительных трансформаторах, это разработка российских ученых?

НС: Как было сказано выше, первый опытный образец spun-волокна был изготовлен в Саутгемптонском университете, там же была продемонстрирована возможность использования такого волокна для измерения тока. Российскими разработчиками в Институте Радиотехники и электроники РАН по запросу компании NxtPhase T&D Corporation технология spun-волокна была усовершенствована до уровня практического применения в волоконных трансформаторах тока и был освоен мелкий выпуск волокна с последующей продажей его компании NxtPhase. Разработчиком трансформаторов от NxtPhase T&D Corporation (ныне Alstom/GE) был Джордж Блэйк, он покупал российское волокно и был очень им доволен. И вот однажды на конференции по волоконным датчикам он подарил сборник своих трудов с надписью «Russian fiber is the best» («Русское волокно лучшее»).

Мы были одними из первых, но сейчас нельзя утверждать, что мы единственные в мире разработчики. Сейчас есть по крайней мере несколько точек, где производят такие волокна. В частности, в Англии (фирма FiberCore), в Австралии и еще где-то. Информация о производителях spun-волокна является в некоем роде коммерческой тайной.

ЦПC: Как появилась идея использовать волокно для целей измерения и разработать измерительный трансформатор?

НС: Идея создать современный волоконно-оптический трансформатор возникла очень давно. Как только в середине 1970-х появилось первое нормальное волокно, разработчики осознали, что с помощью него можно измерять электрический ток. Но когда дело дошло до проверки идеи, выяснилось, что есть много внешних факторов, которые очень сильно затушевывают сигнал о токе, создают множество помех.

Первые чувствительные элементы, которые использовались в оптических трансформаторах тока, были всего лишь прототипами, нельзя было говорить об обеспечении точности в условиях высоких температур, при укладке волокна в приемлемые габариты.

Кроме того, сама измерительная часть, то есть интерферометр, тоже была на начальной стадии. Прорыв произошел, когда появилось волокно, которое могло выдерживать климатические изменения, т.е. работать в диапазоне температур хотя бы —40°С — +60°С, и не менять своих характеристик, а значит, и не менять информационного сигнала, не ухудшать точность измерения в зависимости от температуры.

Кроме того, очень важным прорывом для создания современного оптического трансформатора тока был переход к цельноволоконному измерительному интерферометру, т.е. интерферометру, состоящему исключительно из элементов в виде отрезков волокна, в котором оптическое излучение распространяется только в кварцевой среде и не выходит в воздушное пространство, как это было при использовании дискретного оптического интерферометра.

Прорыв произошел где-то в 1994 году, когда на Западе появились первые работы, демонстрировавшие будущие трансформаторы тока на основе цельноволоконного исполнения и использовавшие в качестве чувствительного элемента spun-волокно. Это волокно имеет высокую чувствительность, близкую к чувствительности, определяемой физическими свойствами кварца и, в тоже время, устойчиво к влиянию внешних факторов. Особенность изготовления этого волокна заключается в том, что если обычное волокно производится путем нагревания заготовки при высокой температуре и последующего вытягивания в тонкую нить, то производство spun-волокна — это вытягивание и одновременное закручивание двулучепреломляющей заготовки, в результате чего образуется специальная спиральная структура осей двулучепреломления. И вот появление этого волокна как продукта, пусть даже еще лабораторного, дало толчок к новому витку интереса к оптическим трансформаторам. А уже в 2002 году в США фирма NxtPhase поставила первые оптические трансформаторы на линии электропередачи в качестве пилотных проектов. Вот это был прорыв. И тут, конечно, стоит еще раз отметить, что первые чувствительные волокна для этих трансформаторов были куплены в России, у наших коллег из ФИРЭ.

Сегодня же «Профотек» и Alstom (GE) используют spun-волокно в качестве чувствительного элемента. АВВ, в свою очередь (по крайней мере несколько лет назад), использовала другой тип волокна, так называемое low—bi. Отличие заключается в том, что если spun-волокно имеет искусственно введенное линейное двулучепреломление, которое позволяет избавиться от влияния внешней среды, то low—bi волокно имеет крайне низкое двулучепреломление. Но для того, чтобы такое волокно уложить в контур малого размера, приходится использовать очень сложную технологию: удалять покрытие с этого волокна, укладывать его в контур небольшого размера, а потом еще отжигать при температуре примерно 800°С. Отжиг дает возможность избавиться от известного эффекта, называемого изгибным двулучепреломлением, который тушит сигнал, связанный с измеряемым электрическим током.

ЦПC: Расскажите о первых разработках трансформаторов в России.

НС: Научной основой российского оптического трансформатора явились фундаментальные исследования, проведенные в Институте радиотехники и электроники им. Котельникова. Вопросы прецизионного измерения физических величин всегда были приоритетной темой для нашего научного коллектива, который входит в отдел «оптоэлектроника и волоконная оптика», в этом же отделе, кстати, находится лаборатория, разработавшая чувствительное волокно. Мы традиционно занимались самыми разными прецизионными измерениями физических величин: сначала это были исследования, связанные с СВЧ-стандартами, потом с оптическими квантовыми стандартами частоты, где основным измеряемым параметром была оптическая частота. Затем, когда появилось первое волокно на Западе и у нас, наши усилия по измерению физических величин были переориентированы на волоконные технологии. Первые наши исследования в этой области были связаны с волоконно-оптической гироскопией, основной задачей которой является измерение угловой скорости объекта.

Далее мы плавно перешли к исследованию оптических методов измерения электрического тока. Предыдущий опыт помог нам быстро форсировать то отставание, которое было в России в части этих методов, и конкретно в разработке прибора, называемого оптическим трансформатором. В 2005–2006 годах мы приступили к этим исследованиям, когда первые опытные оптоволоконные трансформаторы уже работали на линиях электропередачи США, Канады и других стран. Мы быстро преодолели отставание. НИР, который мы провели, показал очень хорошие результаты, и его поддержал фонд Бортника.

В результате появился уже не просто лабораторный макет на уровне НИР, а первый вариант макета приборного. Затем нам была оказана поддержка со стороны Роснано и группы Онэксим. Компания «Профотек» была создана в декабре 2010 года, и сейчас нам удалось встать в один ряд с такими известными производителями трансформаторов, как АВВ, Alstom и Arteche.

ЦПC: Можно ли аналогичным образом измерять напряжение?

НС: Практически все представленные сейчас на рынке трансформаторы напряжения — не цельноволоконные. Чувствительным элементом в них является либо емкостной, либо резистивный делитель, а волокно используется только для передачи информационного сигнала с этого делителя на электронный блок.

Да, существует эффект Поккельса, на базе которого той же компанией NxtPhase был разработан трансформатор напряжения. Им удалось преодолеть все проблемы, связанные с влиянием внешних условий, но впоследствии (2008 г.) они вынуждены были отказаться от серийного производства этого трансформатора из экономических соображений. Трансформатор на эффекте Поккельса получился очень дорогостоящий. В настоящее время фирма Alstom, которая поглотила NxtPhase, использует чувствительный элемент на основе делителя напряжения. В России над чувствительным элементом на эффекте Поккельса работает группа коллег — выходцев из академического института прикладной физики в Нижнем Новгороде. Но они столкнулись с очень большими трудностями, связанными с изоляцией высоковольтных вводов, которые пока преодолеть не удалось.

В заключение хотел бы сказать, что, на мой взгляд, плюсы волоконных трансформаторов очевидны, хотя пессимисты стараются их либо не замечать, либо приуменьшать. Несколько примеров преимуществ, недостижимых для классических электромагнитных трансформаторов:

• степень электробезопасности для обслуживающего персонала;
• отсутствие негативного влияния на вторичное оборудование;
• экологичность и универсальность, т.е. способность измерять и постоянный, и переменный ток.

Конечно, «нет предела совершенству», и развитие волоконно-оптических трансформаторов не должно на этом останавливаться. Так, необходимо еще работать над снижением стоимости конечных продуктов, над упрощением процессов ввода и эксплуатации. Но ясно одно — то, что трансформатор тока стал промышленным изделием и сейчас эта реальность помогает изменять будущее энергетики в сторону ее интеллектуализации.