ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ
OPTICAL MEASUREMENT OF VARIABLE AND CONSTANT CURRENTS IN HIGH-VOLTAGE NETWORKS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых используется эффект поворота плоскости поляризации света веществом, находящемся в продольном магнитном поле (эффект Фарадея). Изобретение может быть использовано в электроэнергетике, например, в высоковольтных сетях различных классов, в сетях электротранспорта, металлургии и других электроустановках.
Обычно для измерения переменного тока в высоковольтных сетях используют электромагнитные трансформаторы тока, содержащие первичную обмотку из одного-двух витков (фрагмент проводника высоковольтной линии) и вторичную обмотку, содержащую большое количество витков, которая соединена с контрольной аппаратурой, находящейся под нулевым потенциалом земли. Между первичной и вторичной обмотками находится изоляционный материал, например, специальное масло или элегаз. Главным недостатком таких трансформаторов является высокая вероятность пробоя изоляции между обмотками, что грозит опасностью возникновения пожара.
Альтернативой традиционным электромагнитным трансформаторам тока являются оптико-электронные измерители тока. В основу данных измерителей положено явление вращения плоскости поляризации света прозрачным веществом, находящемся в продольном, относительно направления распространения света магнитном поле, открытом М. Фарадеем [1]. Исследования в области создания оптико-электронных измерителей тока ведутся давно [2].
Основным узлом подобных устройств является так называемая ячейка Фарадея, состоящая из двух линейных поляризаторов, между которыми установлено активное прозрачное вещество, например, стекло, обладающее большой постоянной Верде, помещенное в магнитное поле так, что магнитные силовые линии поля совпадают с направлением распространения линейно поляризованного света в веществе.
Под действием продольных силовых линий магнитного поля фрагмента проводника высоковольтной линии активное вещество приобретает способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света на угол
где: Н - значение напряженности продольного магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;
V - постоянная Верде материала активного элемента;
- длина пути, пройденного пучком света в активном элементе;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля;
N - число витков фрагмента проводника с током;
i - ток, протекающий по проводнику;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние до проводника, соотношение сторон, сечения проводника и 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  - постоянные величины для конкретной конструкции ячейки Фарадея.
Известны устройства, у которых в качестве активного вещества ячейки Фарадея используют оптическое волокно. Типичным представителем таких устройств является токоизмерительная система по патенту США [3]. 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 высоковольтной линии вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого совпадают с витками катушки из оптического одномодового волокна, следовательно, совпадают с направлением распространения лучей света. 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 между взаимоортогональными компонентами поляризованного света неизбежно возникает разность фаз δ [1] и свет становится эллиптически поляризованным. Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависят от ориентации плоскости падения света на границу раздела сердцевины оптического волокна с его оболочкой и угла преломления при каждом акте полного внутреннего отражения света внутри оптического волокна. В процессе прохождения линейно поляризованного света по одномодовому волокну угол падения света на границу раздела между сердцевиной волокна и его оболочкой близок к 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.
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).
В результате одновременно с эффектом поворота плоскости поляризации на угол α в одномодовом волокне происходит частичная деполяризация света с коэффициентом деполяризации Δр.
Следовательно, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде одномодового оптического волокна, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразования
где: р=1-Δр - степень поляризации света;
α - угол поворота плоскости поляризации света оптическим волокном под воздействием магнитного поля.
Интенсивность света I после ячейки Фарадея можно найти из уравнения
где  - искомый вектор Стокса;
O
- вектор Стокса неполяризованного света интенсивностью I источника света;
- матрица преобразования света первым линейным поляризатором, плоскость пропускания которого, например, горизонтальна;
- матрица преобразования света вторым линейным поляризатором, плоскость пропускания которого составляет угол 45° по отношению к первому поляризатору.
После перемножения матриц (5-7) находим искомый первый параметр Стокса, пропорциональный интенсивности света
По фрагменту проводника высоковольтной линии протекает переменный ток с частотой 50 Гц, следовательно, напряженность магнитного поля Н тоже переменна и на выходе ячейки Фарадея фотоприемник воспринимает свет, изменяющийся по закону
mах
где: α - максимальный угол поворота плоскости поляризации, соответствующий моменту максимального тока:
ω=(50±1)Гц - частота сети.
0
=
0
max
Из уравнения (9) видно, что в отсутствии тока i в сети, когда Н=0 и α=0, интенсивность света I=0,25 I и в спектре сигнала фотоприемника присутствует только постоянная составляющая U=0,25 I. При протекании по фрагменту проводника переменного тока i=isinωt в спектре сигнала фотоприемника появляется переменная составляющая
Блок преобразования сигналов вычисляет отношение
а затем искомый ток i во фрагменте проводника
Из уравнения (12) видно, что степень (уровень) поляризации света р напрямую влияет на величину угла вращения плоскости поляризации α и, следовательно, на результат измерения тока i.
Известно, что многомодовое оптическое волокно практически полностью деполяризует свет. Поляризованный свет р=1 превращается в неполяризованный р=0 и поэтому многомодовое оптическое волокно непригодно для использования в качестве активного элемента ячейки Фарадея. Одномодовое оптическое волокно (диаметр волокна примерно 4 мкм) при небольшой длине частично сохраняет поляризацию, однако, существует ряд существенных трудностей ввода в такое волокно пучка света с достаточной величиной светового потока. Кроме того, в процессе изготовления катушки из оптического волокна происходит изгиб волокна, при котором появляются неконтролируемые механические напряжения в волокне, что приводит к еще большей деполяризации света и, в конечном счете, к существенным неконтролируемым ошибкам измерения переменного тока.
Поэтому рекламируемые оптические измерители тока, у которых в качестве активного элемента ячейки Фарадея используются катушки из одномодового оптического волокна, имеют существенные перечисленные выше недостатки.
Более совершенным устройством и наиболее близким прототипом является оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [4].
Известный оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [4] содержит источник света 1 (фиг. 1), многомодовое оптическое волокно 2, торец которого находится фокальной плоскости установленной за ним коллимирующей линзы 3, первый поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5, выполненный из оптического стекла, находящийся в продольном (по отношению к направлению света) магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая линза 8, второе многомодовое волокно 9, фотоприемник 10. Фотоприемник 10 подключен к усилителю, который находится в блоке преобразования сигналов 11. Активный элемент 5 ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной призмы 5 из стекла ТФ5, обладающего высокой постоянной Верде. Первое основание призмы 5, на которое падает свет, полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полосы. Другое основание призмы 5 разделено на три равные прямоугольные зоны. По обе стороны от центральной зоны содержатся две полированные поверхности с зеркальными покрытиями, которые составляют с плоскостью центральной зоны одинаковые углы
где: D - диаметр коллимированного пучка света;
h - высота четырехугольной призмы 5.
Вблизи широкой грани призмы 5 расположен фрагмент проводника сети в виде плоской шины 6. Свет от источника 1 по многомодовому оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей призмы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 4 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации света параллелен одной из боковых граней призмы 5, например, широкой грани. Линейно поляризованный коллимированный пучок света четырехкратно проходит призму 5, проходит поляризатор 7, плоскость пропускания которого ±45°, и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.
Если ток i по шине 6 не проходит и напряженность магнитного поля вокруг шины Н=0, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10,
0
где: I- интенсивность света, падающего на поляризатор 4;
R- Коэффициент отражения света от трех зеркальных поверхностей призмы 5.
max
Если по шине 6 протекает переменный ток i=isinωt частоты сети ω, то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью
и преобразует его в электрический сигнал
=
0
~
0
max
который в электронном блоке 11 формируется в виде постоянной составляющей U=U и переменной составляющей U=U[sin(2αsinωt)]. В электронном блоке 11 вычисляется отношение
а затем вычисляется искомый ток i, протекающий по шине 6, согласно формуле
где N=1 - число витков шины 6;
V - постоянная Верде стекла призмы 5;
- длина пути, пройденного света в призме 5;
М - коэффициент, характеризующий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля шины 6.
~
=
O
Анализируя формулы (16) и (17) находим, что отношение переменной составляющей U к постоянной составляющей U сигнала фотоприемника 10 при малых углах α пропорционально искомой величине тока i и не зависит от изменения величины U, то есть Q является нормированной величиной.
Испытания показали, что если по фрагменту проводника 6 протекает переменный ток, то с помощью известного оптического измерителя переменного тока [4] можно производить измерения тока, например, в диапазоне от 0 до 600А с точностью ±0,5 А.
Существенным недостатком известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях [4] является его практическая непригодность для работы в сетях постоянного тока.
Так, если по шине 6 (фиг. 1) будет протекать постоянный ток, то на выходе фотоприемника 10 получим сигнал, изменяющийся по закону
0
0
Из формулы (19) видно, что при постоянном токе нет признаков для разделения постоянной составляющей сигнала U, независящей от угла поворота плоскости поляризации света α и составляющей Usin2α, зависящей от изменения угла α.
В этом случае для угла α и тока i можно записать
Из выражений (20) и (21) видно, что любое неконтролируемое изменение постоянной составляющей сигнала фотоприемника ведет к погрешностям измерения угла α и, соответственно, тока i.
Применение особых стабилизаторов питания источника света 1 и питания усилителя сигнала фотоприемника 10 не избавляет полностью от погрешностей измерения постоянного тока. Например, изменения величины сигнала фотоприемника 10 могут происходить в результате жестких климатических условий эксплуатации.
Предлагается новый оптический измеритель переменного и постоянного тока, свободный от упомянутого недостатка.
Оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях содержит источник света и установленные последовательно по ходу лучей света многомодовое оптическое волокно, торец которого находится в фокальной плоскости установленной за ним коллимирующей линзы, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный из стекла с высоким значением постоянной Верде, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью поляризации первого поляризатора, собирающая свет линза, второе многомодовое оптическое волокно, фотоприемник, электронный блок с преобразователем сигналов, вычислителем и индикатором результатов измерения. С целью измерения как переменного, так и постоянного токов в высоковольтных сетях первый поляризатор выполнен в виде призмы Волластона с углом разведения поляризованных лучей
где: D - диаметр рабочего пучка света;
L - длина пути пучка света, пройденного от призмы Волластона до второго поляризатора.
Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде стеклянного цилиндра с полированными основаниями, на одном из которых нанесено зеркальное покрытие. Второй поляризатор выполнен в виде кольца, внутренний диаметр которого больше диаметра D рабочего пучка света, и установлен так, что выходящие из первого поляризатора два пучка света проходят через внутренние отверстия второго поляризатора. После второго поляризатора в двух разделенных и отраженных от зеркальной поверхности цилиндра пучках света установлены соответственно две одинаковые собирающие свет линзы, два одинаковых многомодовых оптических волокна, два одинаковых фотоприемника и два одинаковых линейных усилителя сигналов фотоприемников.
Все оптические элементы, относящиеся к ячейке Фарадея, то есть, коллиматорная линза, призма Волластона, стеклянный цилиндр, второй поляризатор в виде кольца, собирающие свет линзы, закреплены в едином монолитном корпусе из диэлектрического материала. Фрагмент проводника высоковольтной сети состоит из набора соединенных параллельно отдельных проводников, например шин, и выполнен в виде соленоида, охватывающего активный элемент ячейки Фарадея, состоящего из n витков, где 1≤n≤6.
На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях [4].
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого оптического измерителя переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях.
(λ) max
Предлагаемый оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях (фиг. 2) содержит источник света 1, например, в виде модуля полупроводникового квантового генератора, с максимумом спектральной плотности излучения μ ≈ 532 нм. И установленные последовательно по ходу лучей света многомодовое оптическое волокно 2, коллимирующая линза 3, первый поляризатор в виде призмы Волластона 4, активный элемент ячейки Фарадея в виде стеклянного цилиндра 5, установленный в продольном магнитном поле фрагмента проводника 6 с током высоковольтной сети, второй поляризатор 7, выполненный в виде кольца. Полированный торец оптического волокна 2 установлен в фокусе коллимирующей линзы 3. Угол разведения поляризованных лучей призмы Волластона 4
2β≥arctg(2D/L),
где: D - диаметр рабочего пучка света после коллимационной линзы 3;
L - Длина пути пучка света, пройденного от призмы Волластона до второго поляризатора.
Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде стеклянного цилиндра 5 с полированными основаниями. На один из полированных оснований (на противоположный тому, на который падает свет) нанесено зеркальное покрытие. Второй поляризатор 7 выполнен из поляроидной пленки в виде кольца, внутренний диаметр которого больше диаметра D рабочего пучка света и установлен так, что выходящие из первого поляризатора 4 два пуча света проходят через внутреннее отверстие второго кольцеобразного поляризатора 7. После второго поляризатора 7 в двух разделенных и отраженных от зеркальной поверхности второго основания стеклянного цилиндра 5 пучках света установлены соответственно две идентичные собирающие линзы 8, два идентичных многомодовых оптических волокна 9 и два идентичных фотоприемника 10.
Источник света 1, фотоприемники 10 и торцы оптических волокон 2, 9 закреплены в отдельном электронном блоке 11, где находятся два идентичных линейных усилителя 12 сигналов фотоприемников 10, преобразователи сигналов 13, 14, вычислитель 15 и индикатор результатов измерений токов 16.
Все оптические элементы, относящиеся к ячейке Фарадея, размещены в единой сборке, состоящей из основания 17, вставки 18 и стакана 19 с крышкой 20. Детали сборки выполнены из диамагнитного и диэлектрического материала, например, из стеклопластика. Основание 17 имеет фланец, с помощью которого сборка ячейки Фарадея крепится к верхнему металлическому фланцу 21 высоковольтного изолятора (на фиг. 2 не показан)
Фрагмент проводника 6 высоковольтной линии выполнен в виде соленоида и охватывает ячейку Фарадея в том месте, где расположен стеклянный цилиндр 5. Соленоид 6 прикреплен кронштейнами непосредственно к верхнему фланцу 21 изолятора, но таким образом, чтобы между внутренней поверхностью соленоида 6 и стаканом 19 ячейки Фарадея был воздушный зазор. Такое крепление предотвращает механическое воздействие на ячейку Фарадея со стороны фрагмента проводника (соленоида) 6 в случаях бросков тока в высоковольтной линии или воздействию на нее порывов ветра.
Поскольку с ростом сечения фрагмента проводника высоковольтной линии появляются ограничения в допустимых радиусах изгиба проводников, то фрагмент проводника 6 выполнен в виде соленоида, который состоит из отдельных тонких проводников, например, прямоугольных шин, соединенных параллельно. Более тонкие проводники допускают меньший радиус изгиба, чем толстые. Поэтому набор отдельных тонких проводников, соединенных между собой параллельно, позволяет без нарушения ГОСТ на проводники изготавливать компактные соленоиды небольших диаметров и больших сечений.
Такая конструкция фрагмента проводника высоковольтной линии позволяет повысить напряженность магнитного поля в области активного элемента ячейки Фарадея и тем самым повысить чувствительность и точность измерения тока.
Предлагаемый оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях работает следующим образом:
Свет от источника 1 по многомодовому оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор в виде призмы Волластона 4 и разделяется, например, в плоскости чертежа (фиг. 2) на два линейно поляризованных пучка, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны. Угол разделения 2β поляризованных пучков призмой 4 удовлетворяет условию (22). Разделенные линейно поляризованные пучки света проходят стеклянный цилиндр 5, который находится в центре соленоида 6, отражаются от зеркальной поверхности основания цилиндра 5, вторично проходят стеклянный цилиндр 5 и с двух сторон по диаметру проходят второй кольцеобразный поляризатор 7. После поляризатора 7 каждый из двух пучков света линзами 8 собираются на торцах многомодовых оптических волокон 9 и подаются на фоточувствительные слои фотоприемников 10.
Коллимированный монохроматический пучок света источника 1, как правило, частично поляризован с произвольным азимутом поляризации ε, поэтому его излучение можно представить вектором Стокса
0
где: I - интенсивность света источника 1;
р - степень поляризации света.
Многомодовое оптическое волокно 2 по воздействию на поляризованный свет можно представить матрицей идеального деполяризатора
Поэтому коллимированный пучок света после линзы 3, который падает на призму Волластона 4, будет не поляризован и его можно представить вектором
Если призма Волластона 4 установлена так, что поляризованные пучки света разведены ею в горизонтальной плоскости, то плоскость поляризации одного из них горизонтальна, а другого вертикальна. В этом случае интенсивности пучков света после второго поляризатора можно найти из уравнения
где:  - вектор Стокса света, падающего на призму Волластона 4;
- матрица преобразования призмы Волластона;
- матрица преобразования стеклянного цилиндра 5, на который действует магнитное поле фрагмента проводника 6;
- матрица преобразования поляризатора 7.
1
2
После перемножения матриц преобразований элементов оптики и исходного вектора  находим первые параметры Стокса пучков света, характеризующие их интенсивности I, I, когда по соленоиду 6 течет постоянный ток и на цилиндр 5 действует постоянное магнитное поле:
1
2
Фотоприемники 10 преобразуют пучки света с интенсивностями I и I в электрические сигналы
Линейные усилители 12 усиливают эти сигналы. Сумматор 13 суммирует сигналы
а блок 14 вычитает сигналы
Вычислитель 15 находит отношение
величину измеренного постоянного тока
где:  - постоянная величина, зависящая от числа витков N соленоида 6, от коэффициента использования магнитного поля k, от постоянной Верде V стекла цилиндра 5 и длины пути L пучка света в цилиндре 5.
max
Если по соленоиду 6 течет переменный ток частоты ω и напряженность магнитного поля внутри соленоида 6 так же переменна Н=HSinωt, то фотоприемники 10 будут воспринимать интенсивность света
Соответственно на выходе линейных усилителей 12 будут электрические сигналы
0
Переменные составляющие сигналов частоты ω находятся в противофазе, поэтому на выходе сумматора 13 получим такую же постоянную составляющую 2U, как в рассмотренном случае для постоянного тока (31), а на выходе блока вычитания 14 получим разность сигналов в виде переменной составляющей
После детектирования и сглаживания сигнал, характеризующийся зависимостью (39), можно представить зависимостью (32).
Далее вычислитель 15 так же находит отношение Q по формуле (33) и величину протекающего переменного тока по соленоиду 6 согласно формуле (34).
Предлагаемое устройство обладает рядом преимуществ.
0
0
Во-первых, установка призмы Волластона в качестве первого поляризатора позволяет получать нормированное отношение сигналов Q, не зависящее от некоторого изменения величины интенсивности излучения I источника 1 или величины преобразования света в электрический сигнал U. Это нормирование сигналов не зависит от рода тока, протекающего по соленоиду 6. Поэтому предлагаемый оптический измеритель тока является универсальным устройством.
Во-вторых, выполнение второго поляризатора 7 в виде кольца, а первого поляризатора в виде призмы Волластона с углом разведения поляризованных пучков света диаметром D на величину
2β≥arctg(2D/L), позволили создать компактную ячейку Фарадея с двукратным прохождением пучков света через стеклянный цилиндр 5.
В-третьих, выполнение фрагмента проводника высоковольтной линии из набора соединенных между собой параллельно отдельных проводников позволило максимально приблизить их к цилиндру 6, и создать компактный соленоид 6 с достаточным общим сечением проводников для пропуска переменного или постоянного токов до 600А в варианте оптического измерителя тока в распределительных сетях, 5000А в вариантах оптического измерителя тока в высоковольтных линиях высокого и сверхвысокого классов, а так же одновременно добиться максимальной эффективности использования магнитного поля проводника 6.
max
max
mах
В-четвертых, подбирая длину цилиндра 5 и количество витков соленоида 6, можно выбирать оптимальный режим работы предлагаемого оптического измерителя переменного или постоянного токов. Например, если соленоид 6 имеет 4 витка и подключен к распределительной сети (U=35 кВ и i=600 А), длина цилиндра 70 мм, то максимально измеренный угол поворота плоскости поляризации ячейки Фарадея ±α ≈ 9,8°, что позволяет достигать чувствительности измерения по току ±0,08А. Это является большим достижением для такого класса измерителей тока.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Лансберг Г.С. Оптика, 4 изд. М.,1957, с 618-620.
2. Зубков В.П., Красина А.Д. Оптико-электронные методы измерения в установках высокого напряжения: (обзор). - М.: Информэнерго. 1975. 156 с.
3. Патент США №3605013, G01R 15/246.
4. Патент РФ на полезную модель №171401 от 30.11.2016 г. «Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях».