ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
FIBRE-OPTIC CURRENT TRANSFORMER

Заявляемое устройство относится к области электротехники, а именно к устройствам для измерения действующих значений тока, и может быть использовано в электрораспределительных и генерирующих сетях переменного и постоянного тока.
Известны конструкции трансформаторов тока, содержащие бумажно-масляную, литую из эпоксидного компаунда и элегазовую изоляции (см. книгу: Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Л.В. Жалалис и др. «Трансформаторы тока» - Л.: Энергия, 1980 г. УДК: 621.314.224, 344 стр.). Недостатком этих конструкций является высокая вероятность электрического пробоя изоляционных промежутков в процессе эксплуатации, что подтверждается многолетним опытом использования таких трансформаторов тока в различных электроэнергетических устройствах.
Известен трансформатор для измерения тока (по а.с. СССР №1624547, МКИ: Н01F 40/14, 1991), содержащий первичную обмотку, два магнитопровода, датчик магнитного потока, установленный в зазоре одного из магнитопроводов. Кроме того, устройство снабжено двумя компенсационными обмотками, одна из которых охватывает оба магнитопровода, а вторая - магнитопровод с датчиком и соединена с выходом усилителя. Обе компенсационные обмотки соединены через сумматор с токоизмерительным устройством.
Данное устройство имеет сложную конструкцию и необходимость дополнительного экранирования электронной части устройства от магнитного поля измеряемых токов.
Известно устройство (по а.с. СССР №664230, Кл. H01F 40/06, 1979) для измерения тока, применяемое в схемах дифференциальных релейных защит. Это устройство включает первичную обмотку в виде трубы с прорезью и магнитопровод с измерительной обмоткой, размещенной поверх магнитопровода. Устройство подвержено влиянию электромагнитных полей.
Известен волоконно-оптический трансформатор тока по патенту РФ на изобретение №2321000.
Трансформатор включает в себя первичный токоведущий контур, охваченный чувствительным элементом в виде катушки, изготовленной из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом посредством двух жил, средство ввода в оптоволокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины. Чувствительная часть трансформатора расположена на опорном изоляторе для применения в электрораспределительных сетях высокого класса напряжения.
Устройство по патенту РФ №2321000 имеет ряд недостатков: большие габариты (за счет выполнения чувствительной части на громоздкой опорно-изолирующей конструкции), невозможность использования трансформатора одновременно на нескольких линиях, например трехфазного тока.
Устройство предназначено для использования в высоковольтных сетях и включает опорно-изолирующую конструкцию, что делает его применение в электрораспределительных сетях более низкого класса напряжения (в частности, корабельных) практически невозможным из-за больших габаритов конструкции и дефицита окружающего пространства. А применение данного устройства в трехфазных сетях подразумевает установку отдельного трансформатора на каждую фазу. Эти обстоятельства являются основными недостатками данной конструкции волоконно-оптического трансформатора тока по патенту РФ №2321000.
Волоконно-оптический трансформатор тока по патенту РФ №2321000 по технической сущности является наиболее близким аналогом заявленной конструкции трансформатора.
Задача изобретения заключается в уменьшении габаритов трансформатора для обеспечения возможности его последующей интеграции в существующие электроэнергетические системы (ЭЭС), например корабельные, а также в обеспечении универсальности устройства за счет возможности эксплуатации одного устройства одновременно на нескольких различных линиях тока, а также удобстве и оперативности эксплуатации.
Поставленная задача решена посредством того, что в известной конструкции волоконно-оптического трансформатора тока, включающей токоведущий контур - проводник с клеммами, охваченный чувствительным элементом - катушкой из оптического волокна, оптически связанные с катушкой средство ввода в ее оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средство его деления, входящие в измерительно-преобразовательный блок, согласно изобретению выполнены, по крайней мере, два токоведущих проводника, каждый из которых охвачен катушкой, выполненной из оптического волокна, при этом токоведущие проводники изолированы друг от друга и заключены в клеммную коробку, катушки имеют различное число витков, выполненное нарастающим итогом от предыдущей катушки к последующей, а их входящие и выходящие концы, соответственно, сгруппированы и выведены наружу клеммной коробки, причем оптическая связь с катушками средства ввода в оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средства его деления на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие осуществлена посредством оптических соединителей, одного общего многожильного оптоволоконного кабеля, оптических разветвителей и соответствующих групп входящих и выходящих концов катушек, а измерительно-преобразовательный блок снабжен, по крайней мере, одним микроконтроллером, в программную память которого введен программный код алгоритма обработки измеряемых сигналов.
Такое выполнение волоконно-оптического трансформатора позволяет сократить его габариты, благодаря осуществлению оптической связи чувствительных элементов - катушек со средством ввода в оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средством его деления на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие посредством одного многожильного оптоволоконного кабеля и соответствующих оптических разветвителей и соединителей, что позволяет сократить количество линий связи, а также за счет выполнения токоведущих проводников с чувствительными элементами в компактной клеммной коробке.
Предложенное конструктивное решение волоконно-оптического трансформатора тока позволяет использовать его на линиях с любым напряжением. Конструкция универсальна, позволяет задействовать минимальное количество линий связи и электронных компонентов. При использовании устройства для измерения нескольких фаз тока не потребуется устанавливать на каждую фазу свой трансформатор, как это было бы необходимо в решении-аналоге, благодаря тому, что на каждом проводнике находится чувствительный элемент - катушка, количество витков в которой увеличивается от предыдущей катушки к последующей, что дает возможность использовать меньшее количество волокон в оптоволоконном кабеле и дает возможность применять устройство для нескольких фаз тока, в том числе для трехфазного тока, при использовании одного измерительно-преобразовательного блока, что также положительно сказывается и на габаритных характеристиках.
Компактность конструкции и возможность удаления (разнесения) друг от друга чувствительной части (клеммной коробки) и элементов измерительно-преобразовательного блока, который снабжен микроконтроллером, позволяют обеспечить компоновку, удобство и оперативность эксплуатации устройства в затесненных помещениях ПТС, минимизировать влияние электромагнитных полей.
Устройство пояснено чертежами, где
на фиг.1 - изображена схема конструкции волоконно-оптического трансформатора тока;
на фиг.2 - фиг.5 - изображены различные варианты исполнения клеммной коробки.
Волоконно-оптический трансформатор тока включает клеммную коробку 1, к контактным клеммам 2 которой подключены жилы 3 токоведущего кабеля, которые соответствуют однофазному, двухфазному, трехфазному или постоянному току. Жилы 3 токоведущего кабеля соединены посредством клемм 2 с токоведущими медными проводниками 4 цилиндрической формы, которые заключены в клеммной коробке 1. Проводники 4 разделены между собой изоляционным материалом 5 (материал выбирают в зависимости от класса напряжения и величины действующих токов; резина, пластмасса, керамика). Проводники 4 заканчиваются выходными клеммами 6, имеющимися на клеммной коробке 1, которые соединены с распределительной сетью. Проводники 4 охвачены чувствительными элементами - катушками 7, которые выполнены из оптоволокна и имеют входящие концы К1, К3, К5 и выходящие концы К2, К4, К6, которые выведены из клеммной коробки 1 и объединены в соответствующие группы. Катушки 7 имеют различное число витков, увеличивающееся от предыдущей катушки к последующей и, соответственно, разную длину оптического пути проходящего по ним света.
Различное число витков дает возможность использовать для различных вариантов линий тока, в том числе для трехфазного тока, одно средство ввода 8 поляризованного светового сигнала в оптическое волокно катушек 7 и одно средство деления 10 поляризованного светового сигнала на взаимноортогональные линейно-поляризованные составляющие, которое включает коллимирующую линзу 11, и пару поляризационных делителей 12.
Средство ввода 8 поляризованного светового сигнала и средство деления 10 поляризованного светового сигнала включены в состав измерительно-преобразовательного блока 13, содержащего, так же, фотоприемные устройства 14 и фильтрующее устройство 15. Группе входящих концов катушек 7 - К1, К3, К5 соответствует оптический разветвитель 16, а группе выходящих концов К2, К4, К6 - оптический разветвитель 17. Свет, излучаемый средством ввода 8 поляризованного светового сигнала (например, лазерным диодом с призмой-поляризатором), попадает в оптоволокно катушек 7 через оптический соединитель 18, через одну из жил оптической линии связи 19, которая выполнена в виде одного многожильного оптоволоконного кабеля, далее через оптический разветвитель 16 и далее в катушки 7 через их входящие концы К1, К3, К5. Проходя по виткам катушек 7, свет меняет угол поворота плоскости поляризации, воспринимая действие магнитного поля, создаваемого током, проходящим по токоведущим проводникам 4. Но, благодаря разному числу витков в катушках, свет приходит ко второму разветвителю 17 от выходящих концов К2, К4, К6 катушек 7 по очереди, с задержкой во времени, ввиду разности количества витков катушек 7, а следовательно, и расстояний. Сначала от катушки с меньшим числом витков К1-К2, потом нарастающим итогом от катушки К3-К4, затем от катушки К5-К6. Задержка во времени необходима для четкой работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) - микроконтроллера 20, который введен в измерительно-преобразовательный блок 13. В программную память микроконтроллера 20 введен программный код алгоритма обработки измеряемых сигналов. Микроконтроллер 20 должен успеть обработать каждый сигнал. Задержка во времени, а следовательно, количество витков катушек 7, подобрано, исходя из частоты работы микроконтроллера 20 и диаметра проводников 4.
Далее свет возвращается по другой жиле оптической линии связи 19 и через оптический соединитель 21 поступает в средство деления 10 поляризованного светового сигнала на две пары взаимно ортогональных составляющих. После чего каждая составляющая светового сигнала преобразуется в электрическую в фотоприемных устройствах 14, а затем фильтруется на необходимые составляющие в фильтрующем устройстве 15, далее сигнал поступает на АЦП микроконтроллера 20, в котором по заложенной программе вычисляются действующие значения тока в каждой фазе.
Числа витков, на которые должны увеличиваться последующие оптоволоконные катушки 7, вычисляют следующим образом. Определяют длину одного витка по формуле:
вит
пр
ℓ=π×d, где:
вит
ℓ - длина одного витка катушки;
пр
d - диаметр поперечного сечения токоведущего проводника.
Затем вычисляют минимальное число витков катушки по формуле:
, где:
вит
N - минимальное число витков катушки;
доп
ℓ - расстояние, необходимое для обеспечения задержки между сигналами;
вит
ℓ - длина одного витка катушки;
стек.
8
С - скорость распространения света в стекле (С≈2×10);
f - частота АЦП микроконтроллера;
пр
d - диаметр поперечного сечения токоведущего проводника.
По предварительным расчетам клеммная коробка 1, для трехфазной цепи, при диаметре медных проводников 4-5 мм может иметь минимальные габаритные размеры 100×50×10 мм.
Расстояние между клеммной коробкой 1, содержащей чувствительную часть трансформатора и измерительно-преобразовательным блоком 13, ограничено только мощностью (для источника) и чувствительностью (для приемника) приемо-передающей аппаратуры (средство ввода - диод или лазер; фотоприемное устройство). При использовании герметизированного оптоволоконного кабеля чувствительная часть - кабельная коробка и измерительно-преобразовательный и обрабатывающий блок, могут располагаться даже в помещениях с различными показателями атмосферного давления и на значительных расстояниях. Это дает возможность использовать разработанный трансформатор в сетях различного назначения и в различных условиях эксплуатации, например в ПТС.
Волоконно-оптический трансформатор тока работает следующим образом.
При необходимости замера действующих значений тока на средство ввода 8 поступает управляющий сигнал, далее возбуждаемый поляризованный световой сигнал поступает от средства ввода 8 через оптический соединитель 18, по одной из жил оптоволоконного кабеля 19 через оптический разветвитель 16, через входные концы К1, К3, К5 в оптоволокно катушек 7. Проходя по катушкам 7, свет меняет угол поворота плоскости поляризации, воспринимая действие магнитного поля, создаваемого током, проходящим по токоведущим проводникам 4. Но, благодаря разному числу витков в катушках 7, свет приходит ко второму разветвителю 17 от выходящих концов К2, К4, К6 катушек 7 по очереди с задержкой, ввиду разности количества витков катушек 7. Далее свет возвращается по другой жиле оптоволоконного кабеля 19 и через оптический соединитель 21 поступает в средство деления 10 поляризованного светового сигнала на две пары взаимно ортогональных составляющих. Каждая упомянутая составляющая светового сигнала преобразуется в электрический сигнал посредством фотоприемного устройства 14, сигналы усиливаются, фильтруются на необходимые составляющие в фильтрующем устройстве 15 и затем поступают на АЦП микроконтроллера 20, который по заложенной программе считывает действующие значения силы тока на соответствующих электрических линиях и сравнивает их с допустимыми (ориентировочно на получение значений в 3-фазной линии требуется 50 нс), после чего генерирует информационный сигнал, который отправляется потребителям.
Следующий световой сигнал со средства ввода 8 поляризованного светового сигнала поступает только после того, как микроконтроллер 20 отправит соответствующую команду, т.е. после того, как все три предыдущие действующие значения тока будут обработаны.
На основании полученных значений и запрограммированного защитного алгоритма генерируются информационные и управляющие сигналы для системы защиты и управления электрораспределительной сетью.
К одному измерительно-преобразовательному блоку можно подключить несколько чувствительных частей волоконно-оптических трансформаторов тока, т.е. на базе одного микроконтроллера можно осуществлять мониторинг и защиту нескольких электрических линий (до 14). При желании количество контролируемых линий можно увеличить путем ввода дополнительных микроконтроллеров и расширения измерительно-преобразовательного блока 13.
Предложенное конструктивное решение волоконно-оптического трансформатора тока компактно, универсально и экономично, позволяет разместить его в затесненных помещениях, например, подводного технического средства, минимизировать влияние на него электромагнитных полей и использовать его на линиях тока различных фаз, в том числе трехфазного, при этом не потребуется устанавливать на каждую жилу свой трансформатор.