УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области электрических измерений и может быть использована в электротехнической промышленности, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Оптические технологии измерения электрических величин привлекают к себе большое внимание вследствие их уникальных свойств и значительных достоинств перед другими технологиями, применяемыми в высоковольтной электроэнергетике.
Например, оптические волокна в настоящий момент широко применяются в телекоммуникационной индустрии по причине многих преимуществ, которые они обеспечивают. Незначительная величина потерь в сравнении с электрическими медными кабелями позволяет прокладывать кабельные трассы повышенной протяженности без использования усилителей или регенераторов сигналов. В электроэнергетике, применение оптических волокон обеспечивает высокую устойчивость измерительного оборудования к электромагнитным помехам и гальваническую развязку датчиков, расположенных на стороне высокого напряжения. Кроме этого, оптические датчики тока и напряжения предоставляют и другие преимущества, такие как малый вес, повышенная сейсмостойкость, высокая точность, расширенный динамический диапазон измерения и широкая полоса пропускания.
Несмотря на то, что было внесено много улучшений в конструкцию оптических датчиков напряжения и напряженности электрического поля, остается необходимость в улучшении точностных характеристик датчиков и измерительных систем, построенных на их основе.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля и напряжения (патент на полезную модель №71441, МПК G01R 013/40, приоритет от 30.07.2010), содержащее источник излучения и фотоприемник, оптически связанные с электрооптической ячейкой Поккельса, поляризатором и анализатором, причем, в качестве источника излучения использован лазерный диод, а на выходе анализатора последовательно размещены фотодиод, усилитель ток-напряжение, микроконтроллер, содержащий порты ввода-вывода, память, аналого-цифровой преобразователь, устройство записи и жидкокристаллический индикатор.
Недостатком такого устройства является низкая долговременная стабильность метрологических характеристик и необходимость в подаче высокого напряжения на металлизированные электроды ячейки Поккельса, что препятствует применению данного решения на линиях передач высокого напряжения.
Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптический измеритель напряженности электрического поля и напряжения (патент на изобретение №2032181, МПК G01R 013/40, приоритет от 05.02.1991), содержащий источник излучения и фотоприемник, оптически связанные с датчиком, включающим в себя модулирующий элемент, выполненный из электрооптического монокристалла, в котором сформирована регулярная доменная структура с осями доменов, перпендикулярными к плоскостям электродов, нанесенных на две противоположные грани этого элемента и первую диафрагму, в котором с целью повышения точности и чувствительности, источник излучения выполнен двухволновым с длинами волн 1 и 2 и оптически связанными посредством волоконного световода с датчиком, на входе которого установлен микрообъектив, на оптической оси которого размещено интерференционное устройство разделения каналов на два идентичных измерительных плеча, сформированное в стеклянном блоке, на одну грань которого, расположенную под углом 45о к оптической оси микрообъектива, нанесен интерференционный многослойный светофильтр, а на другой грани, срезанной под углом 135о к оптической оси микрообъектива, выполнено зеркало, при этом каждое измерительное плечо содержит оптически связанные первую стержневую линзу, модулирующий элемент, первую диафрагму, вторую стержневую линзу, треугольную призму, третью и четвертую стержневые линзы и вторую диафрагму, оба измерительных плеча оптически связаны с фотоприемником через у-объединитель и приемный волоконный световод, а фотоприемник выполнен в виде стеклянного блока, на одну грань которого нанесена голографическая дифракционная решетка пространственного разделения световых потоков с длинами волн 1 и 2 на два фотодиода pin-типа, которое сформированы на противоположной грани стеклянного блока, причем каждый из фотодиодов электрически соединен с блоком обработки сигналов.
Недостатком такого устройства является высокая сложность изготовления и необходимость использования двухволнового источника излучения.
Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель заключается в повышении точности измерения электрического поля и улучшении стабильности точностных характеристик устройства в процессе длительной эксплуатации.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве измерения напряженности электрического поля, содержащем последовательно соединенные источник оптического излучения, входную оптическую схему, формирующую световую волну с круговой поляризацией, оптический измерительный элемент, выполненный из электрооптического кристалла, фотоприемник и блок обработки сигналов, на выходе оптического измерительного элемента устанавливаются оптическая схема, формирующая две различающиеся поляризацией световые волны, и два фотодетектора, сигналы с выхода которых, направляются к блоку обработки сигналов, причем блок обработки сигналов содержит два модуля сопряжения сигнала, два аналого-цифровых преобразователя и цифровой сигнальный процессор
На фиг.1 показан пример осуществления устройства измерения напряженности электрического поля.
На фиг.2 изображена функциональная схема блока обработки сигналов.
Представленная на фиг.1 функциональная схема варианта выполнения устройства содержит оптический измерительный датчик электрического поля 1 и удаленный оптико-электронный блок 2, в состав которого входит источник оптического излучения 3, два фотодетектора оптического сигнала 4, 5 и блок обработки сигналов 6.
Оптический измерительный датчик 1, как правило, пространственно располагается вблизи высоковольтной линии, где производится измерение электрического поля, образованного разностью потенциалов между линией высокого напряжения и землей. Удаленный оптико-электронный блок 2, как правило, территориально расположен на стороне «низкого напряжения» или экранирован от воздействия электромагнитных помех, вызванных переходными процессами в высоковольтных линиях электропередач.
Оптический измерительный датчик 1 содержит выполненный из электрооптического кристалла измерительный элемент электрического поля 7, в котором скорость распространения света определенной поляризации, зависит от напряженности приложенного электрического поля.
Оптический измерительный датчик 1, кроме того, включает входную оптическую схему для формирования из входного оптического сигнала, приходящего по оптическому волокну 8 от источника излучения 3, волну с круговой поляризацией света и направляет эту волну к входу оптического измерительного элемента 7. Измерительный датчик 1 также содержит выходную оптическую схему, формирующую из световой волны, приходящей с выхода измерительного элемента 7, две различающиеся поляризацией световые волны 9 и 10, которые по оптическим волокнам 11 и 12 передаются на соответствующие входы фотодетекторов 4 и 5.
Входная оптическая схема, представленная на фиг.1, содержит коллиматорную линзу 13 для формирования параллельного пучка лучей, поляризатор 14 для создания линейно-поляризованной световой волны с двумя взаимно перпендикулярными компонентами, четвертьволновую пластинку 15 для преобразования света с линейной поляризацией к световой волне с круговой поляризацией.
A
B
Выходная оптическая схема содержит поляризационный оптический разветвитель 16, создающий две комплементарные компоненты световой волны 17 и 18, соответственно L и L, которые направляются к соответствующим коллиматорным линзам 19 и 20, и далее, по оптическим волокнам 11 и 12, соответственно, к фотодетекторам 4 и 5. Световая волна 17, проходящая через поляризационный оптический разветвитель 16, поляризуется параллельно одной оси поляризации выхода измерительного элемента 7, а вторая световая волна 18, поляризуется параллельно другой оси поляризации выхода измерительного элемента.
Электронные и оптоэлектронные компоненты, такие как источник оптического излучения 3, фотодетекторы 4 и 5 и блок обработки сигналов 6, как правило, располагаются в оптико-электронном блоке, находящемся удаленно от места размещения оптического измерительного датчика.
A
B
A
B
A
B
Функциональная схема блока обработки сигналов более подробно представлена на фиг.2, где Р и Р - электрические сигналы с выхода фото детекторов 4 и 5. Эти сигналы направляются на соответствующие модули сопряжения сигналов 21 и 22, в состав которых могут входить усилители, ограничители, фильтры, и т.п., предназначенные для того сформировать соответствующий для оцифровывания сигнал. В свою очередь каждый выход модулей сопряжения сигнала 21 и 22 соединен с соответствующим входом аналого-цифровых преобразователей 23 и 24, соответственно, имеющих цифровые выходы D и D. Блок обработки сигналов также содержит цифровой процессор сигналов 25, обрабатывающий входные значения D и D и вычисляющий значение измеряемой напряженности электрического поля. Цифровой сигнальный процессор сигналов 25 может строиться на основе широкого спектра цифровых процессоров, включая микропроцессоры, компьютеры, микропрограммное и программное обеспечение, и т.п.
Блок обработки 2, изображенный на фиг.1 формирует выходной сигнал Е, отражающий величину (напряженность) измеряемого устройством электрического поля и, математически описываемый специальной функцией G, определяемой как:
где,
а и b - сигналы на выходах двух фотодетекторов, значения которых определяются с учетом затухания оптического и электрического сигналов на пути от выхода оптического измерительного элемента до входов блока обработки сигналов;
g
E - специальный параметр измерительной системы, являющийся по существу усредненной величиной электрического поля, под действием которого создается фазовый сдвиг в оптическом измерительном элементе между двумя взаимно перпендикулярными компонентами линейно-поляризованной волны;
0
φ - внутренний или собственный фазовый сдвиг между двумя взаимно перпендикулярными компонентами линейно-поляризованной волны;
α - число между 0 и 1 (достаточно близкое к 1 для датчика с хорошими оптическими характеристиками);
A
B
A
B
K - коэффициент равный отношению K/K, где K и K характеристические коэффициенты потерь в измерительном датчике электрического поля.
A
A
A
B
B
B
В дальнейшем изложении, будем считать, что сигнал а является числовым представлением интенсивности световой волны L, с учетом всех потерь и коэффициентов пересчета, возникающих при преобразовании оптической волны в аналоговый или цифровой сигнал, т.е. a=K·L и аналогично, сигнал b является числовым представлением интенсивности световой волны L, т.е. b=K·L.
Функция передачи оптического устройства измерения электрического поля, с использованием электрооптического кристалла может быть математически описана следующим образом:
где,
0
0
P - суммарная мощность входного оптического сигнала I на входе измерительного датчика;
Е - напряженность электрического поля вдоль электрооптического кристалла или усредненное значение напряженности электрического поля по выбранной длине измерительного элемента;
g
Коэффициент E по существу является показателем чувствительности измерительного элемента, который зависит от многих физических и геометрических факторов, таких как длина оптической волны, электрооптические коэффициенты кристалла, показателя преломления и многих других параметров.
Коэффициент α фактически отражает качество измерительного датчика, которое для идеального датчика равно 1. Практически, это значение немного меньше чем 1, вследствие имеющихся при производстве датчиков ограничений, например, допустимой несоосности оптических компонентов в измерительном датчике.
0
0
Значение φ характеризует смещение или первичный фазовый сдвиг между двумя оптическими поляризационными компонентами, двигающимися в электрооптическом кристалле и, преимущественно определяется параметрами четвертьволновой пластинки, которая, как правило, выбирается из условия, чтобы фазовый сдвиг φ был бы близок π/2 или являлся нечетным кратным к π/2.
В этих случаях, передаточную функцию устройства измерения электрического поля, определяемую соотношениями (1) и (2), можно переписать следующим образом:
где,
0
0
Δφ=φ-π/2 - первичный фазовый сдвиг в оптическом датчике;
Назначение блока обработки сигналов 2 состоит в том, чтобы точно определить величину измеряемого электрического поля Е с использованием математической обработки значений сигналов a и b, в соответствии с некоторой заранее определенной передаточной функции датчика. Важно отметить, что сигналы a и b и различные коэффициенты передаточной функции датчика могут изменяться вследствие изменений различных параметров, таких как температура, интенсивность источника оптического излучения, вибрации и т.п.
0
0
Например, суммарная мощность P оптического сигнала на входе измерительного датчика, может варьироваться или колебаться под воздействием вибрации, старения источника оптического излучения или других причин. Влияние изменений мощности P оптического сигнала на измеряемое значение поля Е может быть уменьшено при использовании процедуры нормализации выходных сигналов a и b, с тем условием, чтобы результирующее измеряемое значение Е не будет чувствительно к колебаниям оптической интенсивности или мощности.
A
Используя соотношения (3) и (4), приведенная передаточная функция S оптического датчика может быть получена путем деления выходных сигналов а и b на величину (a+K·b),
A
B
где K=K/K/;
В этом случае приведенная передаточная функция может быть описана следующим соотношением:
Следует отметить, что, в целях повышения точности измерения величины поля Е, возможно использование других передаточных функций, которые по существу эквивалентны математическому выражению (5). Например, вышеприведенное выражение можно заменить следующим:
A
A
A
A
Даже при том, что S' (6) может иметь более высокое значение соотношение сигнал/шум по сравнению с S (5), сущность предлагаемой полезной модели, в равной степени относится, как к выражению S, так и к выражению S' или других аналогичных функций.
Обратная передаточная функция математически выражается следующим уравнением:
0
g
С учетом уравнения (7) и предполагая, что значения специальных коэффициентов α, K, φ и E оптического измерительного датчика известны, величина электрического поля может быть вычислена, как функция, зависящая от значений измеренных сигналов a и b.
g
g
0
Параметры устройства измерения напряженности электрического поля могут быть охарактеризованы, в частности, на основе эмпирического определения значений параметров α и E измерительного датчика. Например, параметры α и E (или другие величины, по существу эквивалентные этим двум описываемым параметрам), могут быть определены в процессе калибровки оптического датчика при воздействии на датчик электрического поля известной величины. Значение первичного фазового сдвига φ и коэффициент K, зависящий от величины потерь в оптическом и электрическом тракте измерения сигналов a и b, могут быть определены опытным путем.
Использование предложенного технического решения позволяет повысить точность устройства измерения напряженности электрического поля с учетом влияния температуры, вибрации и старения оптических и электронных компонентов.