ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДАХ
OPTOELECTRONIC DEVICE FOR MEASURING HIGH-FREQUENCY VOLTAGE ON HIGH-VOLTAGE LEADS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к непрерывному контролю состояния электрооборудования высокого напряжения с использованием измерительных отводов высоковольтных вводов, и предназначено для регистрации случайных высокочастотных перенапряжений.
Известно устройство присоединения к измерительным отводам высоковольтных вводов, предназначенное для измерения сигналов напряжения в широком диапазоне частот (Патент на полезную модель №87806, кл. G01R 27/26, опубликовано 20.10.2009), в котором делитель напряжения состоит из высоковольтного ввода с конденсаторной изоляцией и низковольтной емкости. Недостатками такого устройства являются сложность экранировки коаксиального кабеля и согласования волновых сопротивлений линии связи измерительного тракта, отсутствие гальванической развязки.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для измерения импульсов высокого напряжения (заявка на изобретение №97113857, кл. G01R 15/04, опубликовано 20.07.1999). Данное устройство содержит емкостной делитель напряжения и оптический тракт передачи информации, содержащий последовательно соединенные источник оптического излучения, волоконно-оптический кабель, поляризатор, четвертьволновую пластину, электрооптический кристалл, анализатор, волоконно-оптический кабель и фотоприемное устройство. Поляризатор, четвертьволновая пластина, электрооптический кристалл и анализатор образуют электрооптическую ячейку, размещенную между пластинами низковольтной емкости.
К недостаткам устройства можно отнести следующее:
1. Высоковольтная емкость делителя напряжения имеет очень большие габариты, пропорциональные измеряемому высокому напряжению. Из-за этого для проведения измерений необходимо проводить монтажные работы по сборке высоковольтного делителя рядом с работающим объектом, что требует высоких материальных и временных затрат и не всегда осуществимо.
2. Отсутствие защиты низковольтного конденсатора емкостного делителя с электрооптической ячейкой от перенапряжений, что приводит к повреждению низковольтного конденсатора и электрооптической ячейки в случае превышения напряжения выше расчетного.
3. При длительной эксплуатации оптоэлектронного устройства происходит изменение коэффициента передачи оптического тракта в результате деградации оптических элементов схемы, что приводит к снижению достоверности результатов измерений и необходимости периодической калибровки устройства, увеличению затрат на эксплуатацию.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
- снижение массогабаритных показателей емкостного делителя напряжения;
- возможность применения оптоэлектронного устройства для разных типов высоковольтных вводов конденсаторного типа;
- защита низковольтного конденсатора емкостного делителя и электрооптической ячейки от перенапряжений;
- возможность определения коэффициента передачи измеряемого сигнала в оптическом тракте.
Технический результат достигается тем, что в оптоэлектронном устройстве измерения высокочастотного напряжения на высоковольтных вводах, содержащем измерительный оптический тракт, состоящий из последовательно соединенных источника оптического излучения, первого волоконно-оптического кабеля, электрооптической ячейки, модулирующей световой сигнал, второго волоконно-оптического кабеля и фотоприемного устройства, имеющего электрический выход измеряемого сигнала, при этом электрооптическая ячейка подключена к емкостному делителю напряжения, выполненному в виде последовательно соединенных высоковольтной и заземленной низковольтной емкостей, причем емкостной делитель подключен параллельно к измеряемому напряжению, новым является то, что в источник оптического излучения введен калибратор, высоковольтная емкость емкостного делителя напряжения представляет собой собственную емкость высоковольтного ввода с изоляцией конденсаторного типа, имеющего измерительный вывод, к которому последовательно подключена низковольтная емкость, при этом к нему же параллельно низковольтной емкости подключены электрооптическая ячейка и дополнительно введенные разрядник с варистором, причем низковольтная емкость, разрядник, варистор и электрооптическая ячейка расположены в герметичном корпусе устройства присоединения, закрепленного с помощью разъема на высоковольтном вводе, а с другой стороны корпус устройства присоединения имеет оптические разъемы для подключения волоконно-оптических кабелей, связывающих вход и выход электрооптической ячейки с оптическими разъемами входа и выхода электронно-оптического блока, включающего в себя источник оптического излучения, калибратор и фотоприемное устройство.
Электрооптическая ячейка состоит из электрооптического кристалла с модулирующими пластинами и двух поляризаторов.
Источник оптического излучения содержит лазерный диод и управляемый источник тока лазерного диода.
Фотоприемное устройство состоит из фотодиода и фотоусилителя.
Низковольтная емкость емкостного делителя напряжения представляет собой последовательно-параллельное соединение нескольких конденсаторов.
Введение калибратора позволяет определять коэффициент передачи оптического тракта.
Применение в емкостном делителе напряжения в качестве высоковольтной емкости собственной емкости высоковольтного ввода с изоляцией конденсаторного типа с закрепленным на ней устройством присоединения позволяет отказаться от проведения предварительных сборочных работ по монтажу высоковольтной емкости делителя напряжения, а это ведет к снижению материальных и временных затрат на проведение измерений.
Использование разъема в корпусе устройства присоединения дает возможность его применения на различных типах оборудования и классов напряжения.
Применение защитных элементов - варистора и разрядника позволяет защитить низковольтный конденсатор емкостного делителя и электрооптическую ячейку от перенапряжений в случае повреждения элементов емкостного делителя напряжения и превышения напряжения на нем выше максимально расчетного.
Применение в измерительном оптическом тракте волоконно-оптических кабелей устраняет наведение электромагнитных помех и искажений, вызываемых несогласованностью волновых сопротивлений линий связи.
Использование в емкостном делителе нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов в качестве низковольтной емкости обеспечивает необходимый коэффициент деления емкостного делителя для получения оптимального напряжения на электрооптической ячейке и допустимого уровня напряжения на измерительном выводе высоковольтного ввода.
Структурная схема устройства измерения напряжения представлена на фиг.1. Схема оптоэлектронного устройства измерения высокочастотного напряжения на высоковольтных вводах представлена на фиг.2.
вых
изм
Оптоэлектронное устройство измерения высокочастотного напряжения на высоковольтных вводах содержит измерительный оптический тракт, который состоит из последовательно соединенных между собой (фиг.1) источника оптического излучения 1, первого волоконно-оптического кабеля 2, электрооптической ячейки 3, второго волоконно-оптического кабеля 4, подключенного к фотоприемному устройству 5. С выхода фотоприемного устройства снимают измеряемый сигнал высоковольтного высокочастотного напряжения V. По волоконно-оптическим кабелям оптическое излучение передается между отдельными элементами устройства. Электрооптическая ячейка подключена к емкостному делителю напряжения 6, состоящему из последовательно соединенных между собой высоковольтной 7 (С1) и заземленной низковольтной 8 (С2) емкостей. Высоковольтная емкость (С1) последовательно соединена с источником измеряемого напряжения V. На емкостном делителе происходит деление измеряемого напряжения.
Источник оптического излучения подключен к калибратору 9. Калибратор в режиме калибровки устройства генерирует периодический сигнал, модулирующий источник оптического излучения 1 с известной амплитудой, позволяя определить коэффициент передачи оптического тракта и тем самым определить масштабный коэффициент передачи измеряемого сигнала.
Высоковольтная емкость С1 емкостного делителя напряжения представляет собой собственную емкость высоковольтного ввода 10 (фиг.2) с изоляцией конденсаторного типа. Такой высоковольтный ввод с измерительным выводом 11 (ПИН) устанавливается на трансформаторах, реакторах, КРУЭ классов напряжений 330-750 кВ.
К измерительному выводу последовательно подключена низковольтная емкость С2, и вместе с емкостью С1 они образуют емкостной делитель. К этому же измерительному выводу 11 параллельно заземленной низковольтной емкости С2 подключены электрооптическая ячейка и дополнительно введенные разрядник 12 с варистором 13.
Низковольтная емкость, разрядник, варистор и электрооптическая ячейка расположены в герметичном корпусе устройства присоединения 14, который с помощью разъема 15 закреплен на высоковольтном вводе 10. С другой стороны корпус имеет оптические разъемы входа 16 и выхода 17 электрооптической ячейки для подключения к ним волоконно-оптических кабелей, соединенных с оптическими разъемами входа 18 и выхода 19 электронно-оптического блока 20, который может находиться на большом расстоянии от высоковольтного ввода (до 1 км).
Электронно-оптический блок предназначен для создания оптического потока, приема и преобразования в электрический сигнал оптического излучения, а также определения коэффициента передачи измерительного оптического тракта. Этот блок включает в себя источник оптического излучения, калибратор и фотоприемное устройство, электрический сигнал с которого подается на разъем 21.
Электрооптическая ячейка 3 преобразовывает приложенный к пластинам потенциал в модуляцию светового потока и состоит из электрооптического кристалла с модулирующими пластинами 22 и двух поляризаторов 23, 24, подключенных к оптическим разъемам входа 16 и выхода 17.
Источник оптического излучения содержит лазерный или сверхлюминесцентный диод 25 и управляемый источник питания 26, стабилизирующий излучаемый оптический поток.
Фотоприемное устройство преобразует оптический поток в электрический сигнал. Оно состоит из фотодиода 27 с фотоусилителем 28.
-10
Принцип работы устройства основан на электрооптическом эффекте Поккельса - возникновении двойного лучепреломления света в оптической среде при наложении электрического поля. Электрооптический эффект имеет линейную зависимость от приложенного электрического поля и практически безынерционен (быстродействие порядка 10 c) (Измерения на высоком напряжении. А.Шваб, М.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр.172-174).
От источника оптического излучения 1 оптический поток подается в первый волоконно-оптический кабель 2, из которого попадает на первый поляризатор 24 электрооптической ячейки, где происходит его поляризация.
Поляризованный оптический поток проходит через электрооптический кристалл с модулирующими пластинами.
изм
Одновременно с оптическим потоком на электрооптическую ячейку 3 подается измеряемое напряжение V, поделенное емкостным делителем напряжения 6, снимаемое с низковольтной емкости 8. При этом коэффициент деления емкостного делителя выбирается из соображений получения оптимального напряжения на электрооптической ячейке и допустимого уровня напряжения на измерительном выводе 11.
вых
изм
Под действием напряжения, поступающего с емкости С2 и приложенного к модулирующим пластинам электрооптического кристалла 22, в кристалле создается электрическое поле. При прохождении оптическим потоком электрооптического кристалла, в нем осуществляется поворот угла поляризации пропорционально приложенному к нему полю. На выходе из кристалла оптический поток попадает на второй поляризатор 23, где его интенсивность становится пропорциональна все тому же напряжению на емкости С2. Затем оптический поток по второму волоконно-оптическому кабелю 4 поступает на фотоприемное устройство 5, где осуществляется его обратное преобразование в электрический сигнал выходного напряжения V, который соответственно пропорционален входному измеряемому напряжению V. Этот сигнал снимается через разъем 21 электронно-оптического блока 20 и передается на регистрирующее устройство (на фиг. не показано).
Использование электрооптической ячейки на эффекте Поккельса в предлагаемом устройстве позволяет отказаться от дополнительного источника питания в устройстве присоединения.
Низковольтная емкость 8 может состоять из нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов (фиг.2). Это позволяет подобрать необходимую емкость нижнего плеча делителя напряжения и минимизировать суммарную индуктивность низковольтной емкости за счет параллельного соединения конденсаторов.
Варистор 12 и разрядник 13 являются защитными элементами и предназначены для защиты от сверхдопустимых уровней напряжения низковольтной емкости и электрооптической ячейки выше максимально расчетного напряжения.
Герметичный корпус 14 устройства присоединения имеет небольшие размеры и защищает элементы, расположенные в нем, от воздействия на них влаги и пыли. Корпус выполнен из металла для защиты схемы от электромагнитных помех.
Разъем 15 в корпусе устройства присоединения может быть выполнен под различные типы разъемов измерительных выводов высоковольтных вводов. Тем самым достигается универсальность устройства присоединения. Изменяя вид разъема и величину низковольтной емкости делителя напряжения, устройство присоединения можно использовать на различных типах оборудования под разные классы напряжения, т.е. его можно закреплять непосредственно на высоковольтных вводах различной конструкции.
вых
изм
вых
изм
С помощью калибратора 9 определяется численный коэффициент передачи К оптического сигнала во всем оптическом тракте. Степень затухания в нем зависит от длины волоконно-оптических кабелей и типов используемых оптических разъемов. Зная выходное измеряемое напряжение V и коэффициент передачи K, легко определить искомое напряжение V из формулы: V=V·K.
Применение электрооптической ячейки на основе электрооптического эффекта Поккельса для измерения напряжения позволяет производить измерения быстропротекающих переходных процессов с применением гальванической развязки и защитой от электромагнитных воздействий на измерительную линию, гальванически развязывает регистрирующее устройство, что делает систему безопасной для персонала и защищенной от воздействия перенапряжений.
Предлагаемое решение позволяет осуществлять непрерывный контроль состояния электрооборудования высокого напряжения и предназначено для регистрации случайных высокочастотных перенапряжений, так называемых «Very fast Transient Overvoltage's», которые возникают во время срабатывания разъединителей и выключателей на подстанциях с КРУЭ напряжением 330÷750 кВ. Устройство обеспечивает возможность проведения измерений напряжения на высоковольтных вводах от 110÷1150 кВ в диапазоне частот от 50 Гц до 30 МГц.