Оптоволоконные трансформаторы как элементы современных электротехнических комплексов и систем

сы и системы: межвузовский научный сборник; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2011. - 267 с.

2. Рогинская Л.Э. Фильтрация высших гармоник с помощью трансформаторного преобразования числа фаз [Текст] / Л.Э. Рогинская, З.И. Яла-лова // Технические науки - основа современной инновационной системы: материалы I Международной науч.-практ. конф., 25 апр. 2012 г.: в 2 ч. / Приволжский научно-исследовательский центр.-Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2012. - 144 с. - ISSN -978-5-905371-26-4. - С. 70-73.

3. Пат. 126232 Российская Федерация, МПК7Н02М7/10. Многофазный преобразователь на базе фазопреобразующего трансформатора [Текст] / Л.Э. Рогинская, З.И. Ялалова; патен-

тообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимс. гос. авиац. техн. ун-т» (КУ). - 2012141819/07; заявл. 01.10.2012; опубл. 20.03.2013.

4. Рогинская Л.Э., Ялалова З.И. Синтез фазо-преобразующих трансформаторов для преобразования числа фаз [Текст] / Л.Э. Рогинская, З.И. Ялалова // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Машиностроение, электроника, приборостроение: сборник трудов 7-й Всероссийской зимней школы - семинара аспирантов и молодых ученых, 14-16 февраля 2012 г. / Уфимск. гос. авиац. тех. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2012. - С. 38-41.

5. Фишлер Я.Л. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок [Текст]/ Я.Л. Фишлер, Р.Н. Урманов, Л.М. Пестряева. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 320 с.

Ураксеев М.А. Urakseev М.А.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

Левина Т.М. Levina Т.М.

кандидат технических наук, доцент филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате, Россия, г. Салават

УДК 321.3.08

оптоволоконные трансформаторы как элементы современных электротехнических комплексов И СИСТЕМ

В статье рассматривается современное состояние электротехнических комплексов и систем. Показано, что измерительные трансформаторы тока и напряжения, применяемые традиционно в цепях релейной защиты и автоматики, имеют ряд недостатков. В связи с этим показано, что оптоэлектронные трансформаторы устраняют недостатки традиционных трансформаторов тока и напряжения, а также являются ис-кро-, взрывобезопасными. В статье рассматриваются оптоэлектронные трансформаторы тока, использующие магнитооптический эффект Фарадея. Рассмотрены принципы, на которых могут быть построены оптоэлектронные трансформаторы тока.

Ключевые слова: волоконная оптика, эффект Фарадея, магнитооптика, трансформаторы тока, опто-электронные трансформаторы тока.

FIBER opTIC CompoNENTS TRANSFoRMERS AS MoDERN ELECTRICAL

AND CoMPLEX SYSTEMS

The article discusses the current state of the electric units and systems. It indicates that the currentand voltage

measuring transformers traditionally used in the circuits of relay protection and automation have a number of drawbacks. In this regard, it indicates that the optoelectronic transformers eliminate the drawbacks of traditional current and voltage transformers and are also spark and explosion proof. The article discusses optoelectronic current transformers using the magneto-optical Faraday effect.The paper explores the principles upon which optoelectronic current transformers can be built.

Key words: fiber optics, Faraday effect, magneto-optical, electric units, current transformers, opto-electroniccurrent transformers.

Современное состояние электротехнических комплексов и систем направлено на разработку новейших конструкций приборов и оборудования. Известно, что в цепях релейной защиты и автоматики управление высоковольтным (ВВ) оборудованием осуществляется в низковольтной (НВ) части. При этом для преобразования ВВ-сигналов в НВ-сигналы используются измерительные трансформаторы тока (ИТТ) и напряжения (ИТН). Такие ИТТ и ИТН имеют ряд недостатков: явления насыщения, гистерезиса, резонанса, остаточного намагничивания, а также большой вес и габариты. В связи с этим появилась необходимость создания такого нового вида измерительных трансформаторов, как оптоэлектронные. Оптоэлектронные трансформаторы устраняют недостатки традиционных трансформаторов, а также являются искро-, взрывобезо-пасными и экономически выгодными.

В оптоэлектронных трансформаторах тока (ОТТ) и напряжения (ОТН) используются магнитооптический эффект Фарадея и электрооптический эффект Поккельса. В данной работе рассматриваются только оптоэлектронные трансформаторы тока.

История оптических трансформаторов тока уходит корнями в середину девятнадцатого века, когда Фарадей опубликовал работы по закону и явлению электромагнитной индукции. Спустя 14 лет, в 1845 г. Фарадей открыл еще одно явление, которое стало одной из основных ступеней в процессе разработки оптических преобразователей тока, - явление поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле.

Принципиальная схема эффекта Фарадея показана на рисунке 1, в ней использованы следующие обозначения: 1 - лазерный диод; 2 - поляризатор; 3 - элемент Фарадея (скрученное оптическое волокно); 4 - анализатор; 5 - фотодиод; 6 - проводник с током.

Колебания световой волны на выходе поляризатора происходят в плоскости С. На выходе анализатора, с учетом дополнительного поворота плоскости поляризации в элементе Фарадея (ЭФ) на угол ф и угол пропускания пары поляризаторов у, колебания плоскополяризованной световой волны происходят в плоскости D [1].

Рис. 1. Принципиальная схема эффекта Фарадея

Если изготовить кольцо из множества витков вращения плоскости поляризации оптического волокна и намотать на это кольцо про- ф = N.I ,

вод, то, пропустив электрический ток, можно по- где I - электрический ток; Ы- число витков коль-

лучить преобразователь магнитного поля, облада- ца из оптического волокна; N. - число пересечений

ющий высокой чувствительностью. При этом угол электрического тока с витками волокна [2].

В современных литературных источниках широкую известность подобные технологии получили после того, как были представлены первые удачные прототипы в 2005 году, когда канадская корпорация «NxtPhaseCorporatюn» представила один из

первых рабочих вариантов оптических преобразователей тока (рис. 2). Несмотря на относительно высокую стоимость данной технологии она без сомнения является одним из ключевых направлений развития ОТТ.

Рис. 2. Функциональная схема оптического трансформатора тока

Рассмотрим более подробно преимущества ОТТ:

- естественная гальваническая развязка первичных и вторичных цепей (чувствительный элемент - оптическое волокно - является диэлектриком);

- отсутствие выноса потенциала с ОРУ (повышение безопасности и электромагнитной совместимости);

- снижение эксплуатационных затрат;

- измерительные оптоэлектронные трансформаторы тока и напряжения не требуют замены/контроля масла или элегаза, регулярного ремонта или проверки, а лишь поверки прибора и его выходных характеристик раз в 6 лет (затраты не превышают 2% от стоимости прибора за все время эксплуатации);

- массогабаритные показатели (от 15 кг) значительно меньше, чем у традиционных трансформаторов (от 100 кг).

А также:

- ОТТ имеют аналоговый и цифровой выходы, а поэтому совместимы, как с существующими вторичными цепями, так и с перспективными информационными системами на базе протокола 61850-9-2;

- высокая точность контроля и учета электроэнергии (превосходит класс точности 0,2S и 0,2).

Энергобезопасность:

- высокая пожаро-, взрывобезопасность и эколо-гичность, так как не содержит масел, бумаги, горючих полимеров и элегаза в высоковольтной изоляции;

- исключение проблем феррорезонанса и опасности размыкания вторичных токовых цепей.

Энергоэффективность:

- применение цифровых ОТТ значительно повышает точность учета;

- при использовании ОТТ с аналоговым выходом устраняются погрешности, связанные с нагрузочными характеристиками трансформаторов, и в значительной степени уменьшаются погрешности из-за потерь в протяженных вторичных цепях;

- при переходе на цифровые интерфейсы ОТТ позволяют снизить объемы неучтенной электроэнергии более чем в 10 раз.

В основе ОТТ лежат следующие принципы построения.

Первый принцип построения заключается в последовательном соединении между собой (n-1) чувствительных элементов световода (рис. 3) [3]. Это устройство используется для измерения однократных импульсов тока с длительностью, лежащей в наносекундном диапазоне, в мощных электрофизических установках типа линейных импульсных ускорителей электронов.

В данном волоконно-оптическом устройстве содержится источник линейно-поляризованного светового излучения 1, который через волоконный световод 2, изготовленный из магнитооптического материала, подключен к началу поляризационно-чувствительного фотоприемника 3, конец которого подсоединен к измерительно-вычислительному блоку 4. Волоконный световод состоит из n чувствительных элементов 5 в виде одинаковых дуг, образующих замкнутый контур, который охватывает токопровод с измеряемым током.

Рис. 3. Волоконно-оптическое устройство для измерения импульсных токов

Элементы последовательно соединены между собой (п-1) одинаковыми волоконно-оптическими линиями задержки 61 : начало первого чувствительного элемента подключено к источнику излучения, конец последнего чувствительного элемента подключен ко входу фотоприемника. Волоконно-оптические линии задержки представляют собой катушки с витками световода. Витки катушек расположены так, что плоскости этих витков перпендикулярны силовым линиям магнитного поля, создаваемого измеряемым током.

Второй принцип состоит в том, что выход фото-

приемного устройства связан со входом усилителя постоянного тока и через разделительную емкость со входом усилителя переменного тока представлен на рисунке 4. Его выход связан с первым входом делителя, второй вход делителя связан с первым выходом усилителя постоянного тока. Выход делителя связан со входом регистратора. Второй выход усилителя постоянного тока связан с первым входом сумматора, второй вход которого электрически связан с выходом источника опорного напряжения, а его выход - с затвором с изменяющимся коэффициентом пропускания.

Рис. 4. Датчик тока. Устройство содержит: 1 - волоконно-оптический канал связи; 2 - волоконно-оптический ветвитель; 3 - токовый проводник; 4 - линзу; 5 - пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием; 6 - корпус модулятора; 7 - первый фокон; 8 - второй фокон; 9 - затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания; 10 - ИАГ: №+3 лазер; 11 -фотоприемное устройство; 12 - измерительный преобразователь; 13 - усилитель переменного тока; 14 - делитель; 15 - усилитель постоянного тока; 16 - сумматор; 17 - источник опорного напряжения; 18 - регистратор; 19 - емкость.

В статическом состоянии при отсутствии тока в токовом проводнике 3 устройство работает следующим образом. Пучок света от ИАГ:№+3 лазера, пройдя затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания 9 и первый фокон 7, направляется на вход волоконно-оптического ветвителя 2 и через него по волоконно-оптическому каналу связи 1, пройдя линзу 4, поступает на пьезокерами-ческую мембрану с зеркальным покрытием 5, отразившись от которой вновь через линзу 4, волоконно-оптический канал связи поступает на волоконно-оптический ветвитель 2 и через его выход, пройдя второй фокон 8, поступает на фотоприемное устройство 11, где сигнал поступает на вход усилителя постоянного тока 15 и через емкость 19 на вход усилителя переменного тока 13. С первого выхода усилителя постоянного тока 15 и с выхода усилителя переменного тока 13 электрические сигналы поступают соответственно на первый и второй входы делителя 14. С выхода делителя 14 сигнал, равный отношению сигнала от усилителя постоянного тока 15 и от усилителя переменного тока 13, пропорциональный измеряемому току, поступает на регистратор 18, где и фиксируется. Одновременно электрический сигнал со второго выхода усилителя постоянного тока 15 поступает на первый вход сумматора 16, на второй вход которого поступает сигнал от источника опорного напряжения 17. Сигнал разбаланса с выхода сумматора 16 поступает на затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания 9. Таким образом, устанавливается такой уровень интенсивности лазерного излучения в световоде, при котором обеспечивается необходимый для нормального режима работы уровень освещенности на фотоприемном устройстве 11.

При проявлении тока в контролируемой цепи электрический сигнал с выхода измерительного преобразователя 12 поступает на пьезокерами-ческую мембрану с зеркальным покрытием 5, вызывая ее деформацию, что вызывает изменение пространственно-угловых характеристик лазерно-

го излучения, поступающего на нее по волоконно-оптическому каналу связи 1. В свою очередь, изменение пространственно-угловых характеристик излучения, отраженного от пьезокерамической мембраны с зеркальным покрытием, при его вводе в волоконно-оптический канал связи 1, вызывает изменения условий его ввода, вызывая таким образом модуляцию лазерного излучения, поступающего на фотоприемное устройство света 11. Возникающий таким образом сигнал на выходе приемника света фиксируется регистратором 18.

При воздействии внешних факторов на волоконно-оптический канал связи 1 (ионизирующее излучение, механические нагрузки, температурный нагрев и т. д.) или изменении уровня потерь, вносимых оптическими разъемами при повторной сборке устройства, изменяется величина лазерного сигнала, поступающего на фотоприемное устройство 11, однако в связи с тем, что мощность света, поступающего на него, можно представить в виде Р = Р0(1 + т) ,

где Р - среднее значение мощности, т - глубина модуляции, а на выходе усилителя переменного тока 13 выделяется переменная составляющая сигнала, пропорционально только глубине модуляции, и не зависит от дестабилизирующих факторов.

Тем самым компенсируется влияние внешних факторов на прохождение информационного сигнала от передающего блока к регистратору. Таким образом, устройство позволяет повысить точность и большую устойчивость измерения путем информации от передающего блока к регистратору [4].

Далее рассмотрим третий принцип, в котором преобразователь предназначен для измерения силы тока в мощных электрофизических установках (рис. 5). Он содержит: источник линейно поляризованного светового излучения 1; два витка световодов 2, 3; поляризационно-нечувствительный соединитель световодов 4; анализатор 5 и регистратор 6. Витки световодов охватывают токопровод с измеряемым током в противоположных направлениях.

Рис. 5. Устройство для измерения больших токов

Источник светового излучения оптически подключен ко входу первого световода, выход которого через соединитель световодов оптически подключен ко входу второго световода, выход второго световода оптически подключен к анализатору, который, в свою очередь, подключен к регистратору. Световоды выполнены из магнитооптических материалов с постоянными Верде соответственно V¡, V

Устройство предназначено для измерения силы токов в мощных электрофизических установках. Оно должно позволять измерять силу тока до 10 МА _ 1п ™~2(У1-Г2У

При постоянной Верде V¡ = 4,7Н0-6рад/Аи V2 = 4,54-Ш-6 рад/А максимальное значение измеряемого тока будет равно 18 мА [7].

Приведем пример четвертого принципа построения, структурная схема которого приведена на рисунке 6.

При протекании электрического тока I по проводнику создается контролируемое магнитное поле напряженностью Н. Это поле воздействует на элемент Фарадея (скрученное оптическое волокно) ЭФ. Создаваемое лазерным диодом ЛД когерентное мо-

нохроматическое излучение J в поляризаторе П поляризуется в линейно поляризованную световую волну J2. В ЭФ под действием внешнего магнитного поля происходит вращение плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль направления магнитного поля. Световой поток J3 с выхода ЭФ проходит через анализатор А и попадает на фотодиод ФД, затем на измерительный блок ИБ, который состоит из усилителя У Далее происходит преобразование сигнала через аналого-цифровой преобразователь АЦП и на жидкокристаллическом индикаторе ЖКИ получаем значение контролируемого магнитного поля. Поляризатор П и анализатор А находятся в скрещенном положении. Таким образом, существует возможность фиксировать слабое изменение интенсивности светового потока на входе в фотодиод [5].

Наиболее важным элементом в данной схеме является чувствительный ЭФ, в котором при воздействии магнитного поля на некоторые материалы в них возникает индуцированная оптическая активность. Этот эффект достигается в результате взаимодействия магнитных полей света и электронных орбиталей [6].

Рис. 6. Структурная схема четвертого принципа построения ОТТ 1 - лазерный диод; 2 - соединительное оптическое волокно; 3 - поляризатор; 4 - чувствительный элемент

Основными достоинствами ЧЭ четвертого принципа построения являются его малая инерционность (время установления меньше 10-9 с), а также диамагнитная константа Верде, слабо зависящая от температуры.

В результате комплексного анализа принципов построения современных оптоэлектронных трансформаторов тока можно сделать вывод, что развитие оптической технологии преобразования представляется наиболее перспективным направлением как с точки зрения науки, так и в экономическом плане.

Список литературы 1. Бонерт Клаус. Прорыв в области измерения сильных постоянных токов [Текст] / Клаус Бонерт,

Петер Гугенбах // АББ Ревю. - 2005. - № 1. - С. 6-10.

2. Левина Т.М. Информационно-измерительная система контроля магнитного поля: монография [Текст] / Т.М. Левина, М.А. Ураксеев. - LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH&Co. KG, Saarbrucken, Germany, 2012.

3. Левина Т.М. Применение электробезопасных датчиков в системе управления технологическим процессом обессоливания нефти [Текст] / Т.М. Левина, Ю.А. Жаринов, Ф.Ф. Шамаев // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии - 2012. - № 4. - С. 18-23.

4. Патент № 2262709 Российская Федерация МПК7G01R15/24. Волоконно-оптическое устройство для измерения импульсных токов [Текст] /

Ю.П. Казачков, А.В. Пименов; заявитель и патентообладатель ФГУП «Научно-исследовательский институт импульсной техники» ^и). - 2004126421/28; заявл. 30.08.2004; опубл. 20.10.2005.

5. Патент № 2171996 Российская Федерация МПК7G01R19/00. Датчик тока [Текст] / И.Г. Кирин; заявитель и патентообладатель Оренбургский государственный университет (Ки). - 99125305/09; заявл. 02.12.1999; опубл. 10.08.2001.

6. Патент № 2208798 Российская Федерация МПК7G01R33/032. Устройство для измерения больших токов [Текст] / Ю.П. Казачков;

заявитель и патентообладатель ФГУП «Научно-исследовательский институт импульсной техники» (КУ). - 2001134908/09; заявл. 25.12.2001; опубл. 20.07.2003.

7. Патент № 62712 Российская Федерация МПК7G01R29/00. Информационно -измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля [Текст] / М.А. Ураксеев, Т.М. Левина, И.В. Галиуллин; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т» (Ки). -2006143955/22; заявл. 11.12.2006; опубл. 27.04.2007.

Хайруллин И.Х. ^а^иШп I.

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

Гиниятуллин Д.М. Giniyatullin D.M.

инженер ООО «ОБО Беттерманн»

Пашали Д.Ю. Pashali D. Yu.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

УДК 620.179.142

исследование пространственного распределения магнитного поля в слоистой структуре для применения

в теории дефектоскопии

В представленной статье исследовано пространственное распределение изменяющегося электромагнитного поля в обобщенной пятислойной модели. Получены выражения для расчета трех составляющих магнитного поля в каждом слое. Разработанная модель имеет широкие перспективы применения в теории дефектоскопии и экранирования.

Ключевые слова: электромагнитное поле, многослойная структура, вектор магнитной индукции, дефектоскопия, экранирование.

investigation of the magnetic field spatial distribution

IN LAYERED STRuCTuRES FoR THE DEFECTOSCoPY THEoRY

The article investigatesthe spatial distribution of the changingelectromagneticfield in a generalized multilayer