ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ
UNIVERSAL OPTICAL CURRENT METER

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых используется эффект Фарадея. Изобретение может быть использовано в электроэнергетике, например в высоковольтных сетях различных классов, в сетях электротранспорта, металлургии и других электроустановках.
Известны традиционные электромагнитные измерители переменного тока в высоковольтных сетях, которые содержат первичную обмотку в виде фрагмента проводника высоковольтной линии и вторичную обмотку из большого количества витков, между которыми находится изоляционный материал, например, трансформаторное масло или элегаз. Недостатком таких измерителей тока является высокая вероятность пробоя изоляции между обмотками, что грозит опасностью возникновения пожара.
В настоящее время на рынке появились оптические измерители тока, принцип работы которых основан на эффекте Фарадея [1].
Основным узлом оптических измерителей тока является так называемая ячейка Фарадея, состоящая из двух линейных поляризаторов, между которыми установлено магнитооптическое активное изотропное прозрачное вещество, например, оптическое стекло, помещенное в магнитное поле проводника с током так, что вектор напряженности магнитного поля совпадает с направлением распространения линейно поляризованного света в веществе.
Под действием продольного магнитного поля фрагмента проводника активное вещество приобретает способность вращать плоскость поляризации линейного поляризованного света на угол:
где Н - величина напряженности магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;
V - постоянная Верде материала (вещества) активного элемента;
L - длина пути, пройденного пучком поляризованного света в активном элементе;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля фрагмента проводника;
N - число витков фрагмента проводника;
i - ток, протекаемый по проводнику;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние до проводника, усреднение напряженности магнитного поля в различных точках активного элемента.
По измеренной величине угла поворота плоскости поляризации α можно определить величину тока i, протекающего по фрагменту проводника
где N, k, V и L - постоянные величины для конструкции ячейки Фарадея.
Известны устройства, у которых в качестве активного вещества ячейки Фарадея используют оптическое волокно [2-5]. Типичным представителем таких устройств является токоизмерительная система по патенту США [2]. В ней содержится источник света и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно, поляризатор, катушка из одномодового оптического волокна, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, второе многомодовое оптическое волокно, фотоприемник и электронный блок.
В процессе прохождения тока i по фрагменту проводника вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого совпадают с витками катушки из оптического одномодового волокна, следовательно, совпадает с направлением распространения света в волокне. В результате в оптическом волокне происходит эффект поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света (эффект Фарадея).
Однако, известно, что принцип работы любого оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения света, при котором неизбежно возникает разность фаз δ между взаимоортогональными компонентами поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным. Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависит от ориентации плоскости поляризации падающего света относительно плоскости границы раздела сердцевины оптического волокна и его оболочки, а так же от угла преломления при каждом акте внутреннего отражения света внутри оптического волокна. В процессе прохождения линейно поляризованного света по одномодовому волокну угол падения света на границу раздела между сердцевиной и оболочкой волокна близок 90° и возникающая при этом разность фаз δ не велика по сравнению с тем, что наблюдается в многомодовом оптическом волокне. Но она есть всегда. Кроме того, при изгибе оптического волокна в нем неизбежно возникают механические нагрузки, которые приводят к появлению двойного лучепреломления, то есть, оптическое волокно является анизотропным веществом. Поэтому любое оптическое волокно можно представить в виде набора фазовых пластинок с различными направлениями главных осей, преобразующих линейно поляризованный свет в эллиптически поляризованный.
В процессе распространения линейно поляризованного света в оптическом волокне происходит хаотическое преобразование состояния поляризации света и на выходе оптического волокна вместо линейно поляризованного света получаем частично поляризованный свет (если волокно одномодовое) или полностью не поляризованный свет (если волокно многомодовое).
Если в качестве активного элемента ячейки Фарадея используется одномодовое волокно, то неизбежно происходит частичная деполяризация света, что прямо влияет на величину вращения плоскости поляризации α и, следовательно, на результат измерения тока i.
В настоящее время ведутся поиски путей обхода этих трудностей. Так, например, канадская фирма NXT Phase и российские компании ЗАО «Профотек», АО «Алтай Оптика Кабель», разработали сложные волоконно-оптические преобразователи тока [3, 6, 7] построенные на базе особоко так называемого spin-волокна [8], а так же по схеме интерферометра Саньяка.
Но все же рекламируемые оптические измерители тока, у которых в качестве активного элемента ячейки Фарадея используются катушки из одномодового оптического волокна, имеют существенные недостатки. Главные из них: сложность конструкции, наличие анизотропии в волокне, деполяризация света в волокне и, как следствие, уменьшение динамического диапазона измерения тока и снижении точности измерения тока. Более совершенными устройствами являются оптические измерители тока в высоковольтных сетях [9, 10], в которых в качестве активного магнитооптического элемента ячейки Фарадея используются изотропные стеклянные призмы [9], либо цилиндры [10].
Наиболее близким прототипом по отношению к предлагаемому устройству является оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [9]. Это известное устройство содержит полный высоковольтный изолятор в виде покрышки 1 (фиг. 1), источник света 2 и расположенные по ходу лучей первый поляризатор 3, магнитооптический активный изотропный прозрачный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырехугольной стеклянной призмы 4, размещенный в верхней части изолятора 1, и находится в продольном магнитном поле фрагмента проводника 5 с током высоковольтной сети. Призма 4 выполнена высотой h. Первое основание 6 призмы 4 полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие в виде полоски 7 шириной D равной сечению пучка света. Второе основание призмы 4 содержит две полированные наклонные поверхности с зеркальными покрытиями 8, 9, составляющие с первым основанием 6 равные углы наклона γ=arctg(0,5D/h). Далее по ходу лучей установлены второй поляризатор 10, плоскость пропускания которого составляет углы ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3 и с плоскостью отражения лучей света в призме 4, линзу 11, фотоприемник 12, электронный блок 13 с индикатором 14 и выходом 15 для подключения внешних устройств. Фрагмент проводника с током высоковольтной сети выполнен в виде шины 5.
Известное устройство по полезной модели патента РФ №171401 [9] работает следующим образом. Сформированный многомодовым волокном и коллиматором параллельный пучок света от источника 2 проходит первый поляризатор 3 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого ψ параллелен одной из граней призмы 4, например, широкой грани, то есть ψ=0 по отношению плоскости падения света на поверхности 8, 7 и 9 призмы 4. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную четырехгранную призму 4 и под углом γ отражается от зеркальной поверхности 8, второй раз проходит призму 4, под углом 2γ отражается от зеркальной поверхности 7, третий раз проходит призму 4 и под углом γ отражается от зеркальной поверхности 9, проходит в четвертый раз призму 4, проходит второй поляризатор 10, линзой 11 собирается на торце многомодового волокна и свет попадает на фотоприемник 12.
⊥
||
Поскольку в данном примере плоскость поляризации света падающего на границу стекло-зеркальное покрытие совпадает с плоскостью падения, то для модулей комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света можно записать |R|=0, |R|=1, а азимут преимущественной поляризации после отражения
||
Таким образом, граница стекло-зеркальное покрытие при указанных выше условиях является изотропной системой с коэффициентом отражения R.
Если ток i по шине 5 не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 4 не действуют механические или термические нагрузки, то интенсивность света, воспринимаемая приемником 12
0
где I - интенсивность света, падающая на поляризатор 3.
max
Если по шине 5 протекает переменный ток i=isinωt частоты сети ω=50 Гц, то фотоприемник 12 воспринимает свет интенсивностью
и преобразует его в электрический сигнал
=
0
~
0
max
который после усилителя в электронном блоке 13 формируется в виде постоянной составляющей U=U и переменной составляющей U=U [sin(2αsinωt)].
Электронный блок 13 вычисляет отношение
а затем вычисляет искомый ток i, протекаемый по шине 5, по формуле
где: N=1 - число витков шины 5;
V - постоянная Верде стекла призмы 4;
L - длина пути света в призме 4;
М - коэффициент, характеризующий эффективность использования продольной составляющей напряженности магнитного поля Н.
Измеренная величина тока i индицируется на цифровом индикаторе 14 и транслируется внешним устройством с помощью цифрового интерфейса.
По сравнению с другими известными оптическими измерителями тока, у которых в качестве магнитооптического активного элемента ячейки Фарадея используется одномодовое оптическое волокно, данный оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [9] имеет ряд преимуществ.
Во-первых, магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея выполненный в виде призмы 4 свободен от искажений состояния поляризации. В нем не происходит явление деполяризации. Тем более, что плоскость пропускания первого поляризатора совпадает с плоскостью падения света на зеркальные поверхности 8, 9 и 7.
Во-вторых, четырехкратное прохождение линейно поляризованного света в призме 4 обеспечивает высокую чувствительность ячейки Фарадея и точность измерения тока.
Однако, рассмотренное известное устройство [9] имеет ряд существенных недостатков. Основным недостатком является его практическая непригодность для работы в сетях постоянного тока.
Так, если по шине 5 будет протекать постоянный ток, то на выходе фотоприемника 12 получим сигнал, изменяющегося по закону
0
0
Из формулы (9) видно, что при постоянном токе нет признаков для разделения постоянной составляющей U, независящей от угла поворота плоскости поляризации света α и составляющей Usin2α, зависящей от изменения угла α. Любое неконтролируемое изменение постоянной составляющей сигнала фотоприемника 12 ведет к погрешности измерения угла α и, соответственно, тока i.
Другим существенным недостатком известного прототипа [9] является наличие многомодовых оптических волокон, с помощью которых подается свет от источника 2 ячейке Фарадея (элементам 3, 4 и 10) и от ячейки Фарадея - фотоприемнику. При такой оптической схеме для создания коллимированного поляризованного пучка света требуется коллиматор и размещение коллиматора и поляризаторов 3, 10 в непосредственной близости возле стеклянной призмы 4, то есть, в зоне высокого напряжения фрагмента проводника 5, что усложняет техническое обслуживание при профилактике и ремонте. Оптическое волокно, находящееся в полости изолятора 1 должно выдерживать так называемое пошаговое напряжение и иметь достаточную длину при монтаже измерителя тока на конкретном объекте.
Предлагается новое устройство для измерения как переменного, так и постоянного тока без применения оптического волокна.
Предлагается измеритель тока оптический универсальный, который содержит полный высоковольтный изолятор в виде покрышки, источник света и расположенные по ходу лучей первый поляризатор, магнитооптический элемент, выполненный в виде четырехугольной стеклянной призмы высотой h, который размещен в верхней части высоковольтного изолятора и находится под высоким потенциалом сети в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет углы ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора и с плоскостью отражения лучей света в магнитооптическом элементе, собирающую свет линзу, фотоприемник, электронный блок с индикатором и выходом для подключения внешних устройств.
Первое основание четырехугольной стеклянной призмы полировано и в центре его поверхности нанесено зеркальное покрытие в виде полоски шириной D равной сечению пучка света.
Второе основание четырехугольной стеклянной призмы содержит две полированные наклонные поверхности с зеркальными покрытиями составляющие между собой ребро, параллельные зеркальной полоске первого основания и составляющие с первым основанием равные углы наклона γ=arctg(0,5D/h).
Предлагаемое устройство имеет ряд существенных отличительных признаков относительно известных устройств. Так, с целью упрощения конструкции и достижения универсальности источник света, поляризаторы, фотоприемник, электронный блок с индикатором размещены в нижней части полого высоковольтного изолятора и находится под нулевым потенциалом, источник света выполнен в виде лазерного модуля, первый поляризатор закреплен в оправе с устройством, обеспечивающим подъюстировку азимута плоскости поляризации прошедшего через него света, второй поляризатор выполнен в виде призмы Волластона с углом раздвоения лучей 2β, фотоприемник выполнен в виде дифференциального фотодиода с двумя фоточувствительными площадками, расстояние между центрами которых Δх, собирающая свет линза установлена между фотоприемником и призмой Волластона и имеет фокусное расстояние f', которое удовлетворяет условию
На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях [9].
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого измерителя тока оптического универсального.
На фиг. 3 показан фрагмент оптической схемы с призмой Волластона, линзой и дифференциальным фотоприемником, повернутый на 45°.
На фиг. 4 показана структурная схема электронного блока.
Предлагаемый измеритель тока оптический универсальный содержит полый высоковольтный изолятор в виде покрышки 1 (фиг. 2), источник света в виде лазерного модуля 2 и расположенные по ходу лучей поляризатор 3, магнитооптический элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырехугольной стеклянной призмы 4 высотой h, находящейся в продольном магнитном поле проводника 5 первое основание 6 которой полировано и в центре его поверхности нанесено зеркальное покрытие 7 в виде полоски шириной D равной сечению пучка света, второе основание призмы 4 содержит две полированные наклонные поверхности 8, 9 с зеркальными покрытиями, составляющие между собой ребро, параллельное зеркальной полоске 7 первого основания 6 и составляющие с первым основанием 6 равные углы наклона γ=arctg(0,5D/h). Магнитооптический элемент 4 размещен в верхней части высоковольтного изолятора 1 и находится под высоким потенциалом сети в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети, выполненного, например в виде шины, изогнутой в виде скобы 5. Далее по ходу световых лучей установлены второй поляризатор в виде призмы Волластона 10, плоскости пропускания каждого из разделенных пучков которого составляют углы ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3 и с плоскостью отражения лучей света в призме 4, собирающая линза 11, дифференциальный фотоприемник 12, соединенный с электронным блоком 13 и индикатором 14.
Поляризаторы 3, 10, фотоприемник 12, электронный блок 13 с индикатором 14 размещены в нижней части полого высоковольтного изолятора 1 и находится под нулевым потенциалом.
Первый поляризатор 3 закреплен в оправе с устройством, обеспечивающем подъюстировку азимута плоскости поляризации прошедшего через него света (на чертеже не показано).
Второй поляризатор 10 разводит взаимоперпендикулярные плоско поляризованные лучи на угол 2β (фиг. 3).
Дифференциальный фотоприемник 12 содержит две фоточувствительные площадки 17, 18.
Расстояние между центрами фоточувствительных площадок 17, 18 равно Δх.
Фокусное расстояние f' линзы 11 удовлетворяет условию
f'=Δx/tg2β.
Фоточувствительные площадки 17, 18 (фиг. 4), подключены ко входам предварительных усилителей 19, 20 электронного блока 13. Выходы усилителей 19, 20 подключены к дифференциальному усилителю 21 и к сумматору 22, выходы которых подключены к микропроцессору 23. К микропроцессору 23 подключены также индикатор 14 и разъем 15 для интерфейса.
Работу предлагаемого измерителя тока оптического универсального можно проиллюстрировать на примере структурной схемы, показанной на фиг. 2.
Коллимированный пучок света от источника 2 (фиг. 2) проходит через первый поляризатор 3 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации ψ которого параллелен широкой боковой грани стеклянной призмы 4, т.е. ψ=0 по отношению к плоскости падения света на поверхности 8, 7, 9 призмы 4. Линейно поляризованный свет проходит внутреннюю полость изолятора 1 и попадает на первое основание 6 призмы 4, проходит стеклянную четырехугольную призму 4 и под углом γ отражается от зеркальной поверхности 8, второй раз проходит призму 4, под углом 2γ отражается от зеркальной поверхности 7, третий раз проходит призму 4, так же под углом γ отражается от зеркальной поверхности 9, проходит в четвертый раз призму 4, причем, направление распространения отраженного света параллельно пучку света, падающего на призму 4. Далее свет проходит второй раз внутреннюю полость изолятора 1 и попадает на второй поляризатор выполненный в виде призмы Волластона 10. При прохождении пучка света через призму Волластона 10 свет разделяется под углом 2β на два линейно поляризованные пучки, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны и составляют углы ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3.
Разведенные на угол 2β пучки света (фиг. 3) проходят линзу 11 с фокусным расстоянием f' и в ее фокальной плоскости формируются две световые зоны, расстояние между центрами которых Δx равно расстоянию между центрами фоточувствительных слоев 17, 18 дифференциального фотоприемника 12 и удовлетворяют условию
Коллимированный монохроматический пучок света от источника 2 (фиг. 2), как правило, частично поляризован с произвольным азимутом поляризации ε, поэтому его излучение можно представить вектором Стокса
0
где: I - интенсивность света источника 2;
р - степень поляризации света источника 2.
После первого поляризатора 3 свет становится линейно поляризованным в горизонтальной плоскости, и его можно представить вектором
Если ток i по шине 5 (фиг. 2) не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 4 нет механических или локальных термических нагрузок, то по воздействию на горизонтально поляризованный свет стеклянную призму 4 можно представить матрицей преобразования изотропного вещества
||
где |R| - суммарный модуль комплексного коэффициента отражения для параллельной составляющей линейно поляризованного света после трехкратного отражения на границах стекло-зеркальное покрытие в призме 4.
В этом случае после призмы 4 получаем свет, характеризующийся вектором Стокса
1
2
а после призмы Волластона 10 в фокальной плоскости линзы 11 (на поверхности чувствительных слоев 17, 18 фотоприемника 12) интенсивности разделенных призмой 10 пучков света I и I будут равны.
1
2
Величины интенсивностей света I и I характеризуется первыми параметрами векторов Стокса, которые можно найти из уравнения
После перемножения матриц находим
Усилители 19, 20 линейные, на выходе которых будут одинаковые по уровню сигналы
В результате на выходе дифференциального усилителя 21 будет потенциал
и индикатор 14 будет показывать отсутствие тока i, т.е. нули.
Если по шине 5 протекает постоянный ток i, то призму 4, находящуюся в продольном магнитном поле шины 5, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей ротатора
где α - угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света призмой 4 согласно формуле (1).
1
2
В этом случае интенсивности света I и I, воспринимаемые чувствительными площадками 17, 18 фотоприемника 12 (фиг. 4), не будут равны и их можно представить уравнениями
На выходах усилителей 19, 20 будут, соответственно, сигналы
На выходе дифференциального усилителя 21 появляется сигнал
а на выходе сумматора 22 будет постоянный уровень сигнала
Микропроцессор 13 вычисляет отношение
и величину тока I по формуле (2), т.е.
Измеренная величина тока I индицируется на цифровом табло 14 и транслируется внешним устройством с помощью разъема 15 с помощью цифрового интерфейса, например, R5-485.
max
Если по шине 5 (фиг. 2) протекает переменный ток i=isinωt частоты сети ω=50 Гц, то по воздействию на линейно поляризованный свет стеклянную призму 4 можно представить матрицей
max
max
где α=HVLcosβ - максимальное значение угла поворота плоскости поляризации.
В этом случае фоточувствительные площадки 17, 18 (фиг. 4) фотоприемника 12 воспринимают свет интенсивностями
Соответственно, на выходах усилителей 19, 20 будут электрические сигналы
0
Переменные составляющие сигналов частоты со находятся в противофазе, поэтому на выходе сумматора 22 будет такая же постоянная составляющая для 2U, как в случае для постоянного тока (26), а на выходе дифференциального усилителя 21 будет разность сигналов
После детектирования и сглаживания микропроцессором 23 сигнал, характеризующийся зависимостью (34), будет преобразован в сигнал, который описан зависимостью (25).
Далее микропроцессор 23 так же вычисляет отношение Q по формуле (27) и величину протекаемого по фрагменту проводника 5 (фиг. 2) переменного тока i согласно формуле (28). Результат измерений индицируется на цифровом табло 14 (фиг. 2) и транслируется по интерфейсу R5-485.
Предлагаемое устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с известными измерителями тока оптическими.
Во-первых, сочетание примененного лазерного модуля в качестве источника света 2 и особой стеклянной четырехугольной призмы 4, обеспечивающей четырехкратное прохождение поляризационного коллимированного пучка света и возвращение этого пучка параллельно направлению первоначального движения света в сторону призмы 4, позволило существенно упростить конструкцию. Такое сочетание не требует применения волоконной оптики, не требуются конденсоры для ввода света в волокно и не требуются специальные коллиматоры после выхода света из волокна, свет подается прямо от источника 2 в магнитооптический элемент 4 ячейки Фарадея.
Во-вторых, сочетание лазерного модуля 2 и призмы 4 позволяет достигать универсальности в построении измерителей тока для различных классов высоковольтных сетей, поскольку от класса высоковольтной сети зависит только конструкция высоковольтного изолятора.
В-третьих, источник света 2, поляризаторы 3, 10, фотоприемник 12, электронный блок 13 с индикатором 14 размещены в нижней части полого высоковольтного изолятора 1 и находятся под нулевым потенциалом. Это облегчает выполнять регламентные работы, замену отдельных узлов (деталей) без отключения измерителя тока от сети.
В-четвертых, второй поляризатор 10 выполнен в виде призмы Волластона, разделяющей линейно поляризованный пучок света на два компонента, а фотоприемник 12 дифференциальный, т.е. имеет две светочувствительные площадки 17, 18 (фиг. 3). Это позволило реализовать двухлучевую схему, которую можно назвать дифференциальной. Благодаря этому предлагаемое устройство универсальное по роду тока, то есть успешно работает, когда по шине 5 протекает переменный или постоянный ток.
В-пятых, предлагаемый измеритель тока оптический универсальный является самостоятельным законченным прибором, габаритные размеры которого зависят в основном от конструкции высоковольтного изолятора 1. Он может монтироваться в положении, как показано на фиг. 2, или подвешиваться прямо на высоковольтной опоре за основание и подключаться в разрыве петли, соединяющей проводники, удерживаемые гирляндами изоляторов до и после опоры.
В-шестых, в предлагаемом устройстве между поляризаторами 3, 10 (фиг. 2) нет никаких элементов кроме изотропной стеклянной призмы 4. Следовательно, на второй поляризатор 10 всегда падает линейно поляризованный свет с предельно высокой степенью поляризации, что позволяет достигать высокой точности измерения тока, сохраняя предельно возможный динамический диапазон измерения.
Предлагаемое устройство кроме высоковольтных сетей может применяться в других электроустановках, в том числе на транспорте и в металлургии, например, в алюминиевой промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976.- 928 с.
2. Патент США №3605013, G01R 15/246.
3. Патент РФ №2438138, G01R 15/24.
4. Патент Германии №19547021, G01 R 15/24.
5. Патент РФ №2321000, G01R 15/24.
6. Патент РФ №2497135, G01R 15/24.
7. Патент РФ (полезная модель) №123965, G01R 15/24.
8. Патент РФ №2437129, G02B 6/02.
9. Патент РФ (полезная модель) №171401, GO 1R 15/24.
10. Патент РФ №2663545, G01R 15/24.