ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ОПЕРАТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к волоконно-оптическим интерферометрическим датчикам для измерения электрического тока и может быть использована в электроэнергетике и в измерительной технике высоких напряжений для оперативного измерения тока линии электропередачи в т.ч. для поверки работающих трансформаторов тока без снятия напряжения.
Большинство известных волоконно-оптических датчиков электрического тока работают на магнитооптическом эффекте Фарадея, например, [Волоконно-оптический датчик тока. Патент РФ RU 2437106]. Датчик состоит из оптического и электронного модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, поляризатор излучения, модулятор двулучепреломления, волоконную линию и измерительный контур, состоящий из целого числа витков магниточувствительного оптического волокна, имеющий на концах отражатель излучения и поляризационный конвертор (четвертьволновую пластинку). Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала. Электрический ток в проводнике индуцирует магнитное поле, которое посредством эффекта Фарадея вносит фазовый сдвиг между световыми волнами с ортогональными циркулярными поляризациями, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг проводника. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг проводника с током в виде контура с целым числом витков N, тогда фазовый сдвиг между световыми волнами на выходе чувствительного контура определяется током в проводнике и не зависит от любых внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Величина фазового сдвига определяется
,
где V - постоянная Верде для материала оптического волокна, H - напряженность магнитного поля, dl - элемент замкнутого контура l, I - ток в проводнике. Интеграл берется по замкнутому пути контура l вокруг проводника с током. На практике это означает целое число витков магниточувствительного волокна замкнутого измерительного контура произвольной формы. Замкнутость контура обеспечивают совмещением в пространстве отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, которые ограничивают выбор длины магниточувствительного волокна. Детектирование и цифровая обработка сигнала позволяют измерять электрические токи (магнитные поля) с погрешностью измерения 0,2% и меньше. Данный метод измерения реализован для неразъемных проводников (токопроводов, шинопроводов). При этом используют размыкаемую волоконно-оптическую измерительную петлю, конструктивные возможности которой позволяют произвольным образом располагать измерительную петлю без демонтажа и разрыва шинопровода. Волоконно-оптическую петлю выполняют, как правило, защищенной, например, оболочками диэлектрического волоконно-оптического кабеля намотанного на каркас и охватывающего проводник с током. Для установки на проводник с измеряемым током волоконно-оптической измерительной петли требуется снять напряжение в линии, что вызывает перебои в электроснабжении и ведет к финансовым потерям поставщика электроэнергии.
Известно техническое решение [Волоконно-оптический датчик электрического тока. Патент РФ RU 123965] в котором чувствительный элемент датчика выполнен в виде контура с целым числом (N=1,2, 3,…) из свободно уложенных, защищенных оболочками диэлектрического оптического кабеля, витков магниточувствительного оптического волокна с отражателем излучения и четвертьволновой пластинкой на концах, которые совмещены и неподвижно соединены друг с другом. Для варианта исполнения с размыкаемой измерительной петлей неподвижно соединенные участки волокна помещены в защитную трубку и герметичный разъемный корпус с узлами крепления силовых элементов и герметизации концов оптического кабеля, причем оптические волокна внутри корпуса размещены свободно. Недостатком известного технического решения является то, что саму размыкаемую оптическую петлю можно установить на проводник только со снятием напряжения.
Известен волоконно-оптический датчик тока ABB FOCS-Fiber-Optic Current Sensors [Сайт ABB. http://www05.abb.com/global/scot/scot232.nsf/veritydisplay/74d5555d2a9c2998c12579a00038ff0a/$file/FOCS brochure 3BHS362996 E01.pdf Дата обращения 28.08.2012. Режим доступа открытый], предназначенный для измерения постоянного тока в проводниках (токопроводах, шинопроводах), который является наиболее близким техническим решением. Чувствительный элемент датчика представляет собой магниточувствительное волокно с отражателем на конце, которое размещено в защитных оболочках волоконно-оптического кабеля и помещено в замкнутый канал, который установлен вокруг токопровода. Датчик имеет средства для постоянной установки канала на проводник с измеряемым током. Недостатком известного технического решения является длительный процесс монтажа чувствительного элемента. По данным ABB, датчик FOCS устанавливают на токопровод, находящийся под относительно низким напряжением (680B), в течение одного дня, что позволяет оперативно измерять ток линии электропередачи [Сайт ABB. FOCS. Success Story: FOCS Installation in Aluminium Smelter, http://www05.abb.com/global/scot/scot232.nsf/veritydisplay/2df5c5c3c4b7a590c1256fdc00328c3c/$file/3BHS211021_E01_Rev-_Sucess%20Story%20FOCS.pdf Дата обращения 13.05.2013. Режим доступа открытый]. Монтаж чувствительного элемента проводят последовательно, открывая и закрывая крышки и протягивая его по 4-м угловым элементам и соединяющим их вставкам канала. Совмещение четвертьволновой пластинки и отражателя излучения чувствительного элемента производят внутри канала. Кроме того, существует опасность поражения электрическим током при монтаже канала датчика без снятия с проводника высокого (более 1 кВ) напряжения из-за малого расстояния между каналом и поверхностью проводника.
Техническим результатом заявленной группы полезных моделей является упрощение конструкции преобразователя электрического тока и ускорение процедуры его установки на контролируемом проводнике, находящимся под напряжением.
Технический результат по первому варианту устройства достигается тем, что, волоконно-оптический чувствительный элемент преобразователя электрического тока оперативного использования, выполнен в виде, как минимум, одного охватывающего проводник с измеряемым током витка оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, который размещен внутри защитной диэлектрической оболочки, которая, в свою очередь, расположена внутри изоляционного канала, имеющего средства установки на проводник с током или на окружающие проводник конструкции, изоляционный канал имеет разрыв для ввода и вывода чувствительного элемента.
Указанный технический результат по второму варианту устройства достигается тем, что, волоконно-оптический чувствительный элемент преобразователя электрического тока оперативного использования, выполнен в виде, как минимум, одного охватывающего проводник с измеряемым током витка оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, которое размещено внутри защитной диэлектрической оболочки, которая, в свою очередь, расположена внутри изоляционного канала, имеющего средства установки на проводник с током или на окружающие проводник конструкции, содержит изолятор, например, штангу изолирующую оперативную, соединенный со средствами установки изоляционного канала на проводник с током или на окружающие проводник конструкции, а также с самим изоляционным каналом, причем последний имеет разрыв, превышающий габаритный размер поперечного сечения проводника с током.
Достижению указанного технического результата во всех вариантах устройства способствует также то, что внутренняя поверхность изоляционного канала покрыта слоем твердой смазки. Наличие слоя твердой смазки существенно снижает коэффициент трения скольжения, облегчает и ускоряет процесс установки/снятия чувствительного элемента.
Существенными признаками заявленной группы полезных моделей, являются:
Для первого варианта устройства:
• Волоконно-оптический чувствительный элемент преобразователя электрического тока оперативного использования выполнен в виде, как минимум, одного охватывающего проводник с измеряемым током витка оптического волокна с отражающим зеркалом на конце. Признак обеспечивает возможность измерения электрического тока или магнитного поля на основе эффекта Фарадея. При целом числе витков признак также обеспечивает независимость измеряемого тока в проводнике от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Кроме того, вследствие эффекта Фарадея, индуцируется фазовый сдвиг между световыми волнами, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг проводника, обеспечивается сохранение и передача фазового сдвига, обусловленного измеряемым током, по оптическому волокну соединительного кабеля до оптико-электронного блока обработки выходного оптического сигнала.
• Чувствительный элемент размещен внутри, как минимум, одной защитной диэлектрической оболочки. Признак обеспечивает защиту оптического волокна и уменьшается влияние на него температурных и связанных с ними механических воздействий, влияющих на точность измерения. Как правило, одна или несколько защитных диэлектрических оболочек и оптическое волокно образуют диэлектрический волоконно-оптический кабель.
• Защитная оболочка расположена внутри изоляционного канала, имеющего средства установки на проводник с током или на окружающие проводник конструкции. Признак обеспечивает дополнительную защиту чувствительного элемента от внешних воздействий и фиксацию его расположения относительно проводника с током с соблюдением минимально допустимых радиусов изгиба волоконно-оптического кабеля.
• Изоляционный канал имеет разрыв для ввода и вывода чувствительного элемента. Признак обеспечивает ускорение процедуры оперативной установки чувствительного элемента на контролируемый проводник, находящийся под напряжением, за счет упрощения конструкции изоляционного канала. Канал прототипа состоит из 4-х угловых элементов и соединяющих их вставок, а заявленная конструкция изоляционного канала состоит из одного конструктивного элемента, что позволяет гораздо быстрее и проще установить канал на контролируемый проводник, а чувствительный элемент в канал.
Для второго варианта устройства:
• Волоконно-оптический чувствительный элемент преобразователя электрического тока оперативного использования выполнен в виде, как минимум, одного охватывающего проводник с измеряемым током витка оптического волокна с отражающим зеркалом на конце.
• Чувствительный элемент размещен внутри, как минимум, одной защитной диэлектрической оболочки.
• Защитная оболочка расположена внутри изоляционного канала, имеющего средства установки на проводник с током или на окружающие проводник конструкции.
• Содержит изолятор, например, штангу изолирующую оперативную, соединенный со средствами установки изоляционного канала на проводник с током или на окружающие проводник конструкции, а также с самим изоляционным каналом. Признак обеспечивает возможность быстрой оперативной установки/снятия (вручную) изоляционного канала с или без чувствительного элемента внутри на безопасном расстоянии от проводника с током, находящегося под напряжением.
• Изоляционный канал имеет разрыв, превышающий габаритный размер поперечного сечения проводника с током. Признак обеспечивает возможность установки на проводник с током изоляционного канала через его разрез. Монтаж/демонтаж чувствительного элемента производят его перемещением внутри изоляционного канала.
Существенными отличительными признаками, группы полезных моделей влияющими на получение технического результата являются:
Для первого варианта устройства:
• Изоляционный канал имеет разрыв для ввода и вывода чувствительного элемента.
Для второго варианта устройства:
• Содержит изолятор, например, штангу изолирующую оперативную, соединенный со средствами установки изоляционного канала на проводник с током или на окружающие проводник конструкции, а также с самим изоляционным каналом.
• Изоляционный канал имеет разрыв, превышающий габаритный размер поперечного сечения проводника с током.
Сущность группы полезных моделей поясняется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид чувствительного элемента по варианту 1, установленный на окружающие проводник с током конструкции. На фиг.2 представлен общий вид чувствительного элемента по варианту 2, установленный на проводник с током. Цифрами на фиг.1 и 2 обозначены: 1 - проводник с током, 2 - изоляционный канал, 3 - соединительный оптический кабель, 4 - чувствительный элемент с отражающим зеркалом на конце в оптическом кабеле, 5 - разъемный соединитель отражающего зеркала и четвертьволновой пластины , 6 - средства установки изоляционного канала на проводник с током, 7 - изолятор, 8 - соединители изолятора с изоляционным каналом и средствами установки изоляционного канала на окружающие проводник стоком конструкции (фиг.1) или на проводник с током (фиг.2), 9 - окружающие проводник с током конструкции.
Буквами на фиг.1 и 2 обозначены: Б - зона расположения изоляционного канала на безопасном расстоянии от проводника с током, Г - габаритный размер проводника с током, О - граница зоны безопасного расстояния от проводника с током, Р - размер разрыва в изоляционном канале.
Группа устройств содержит: 1 - проводник с током, 2 - изоляционный канал, 3 - соединительный оптический кабель, 4 - чувствительный элемент с отражающим зеркалом на конце в оптическом кабеле, 5 - разъемный соединитель отражающего зеркала и четвертьволновой пластины, 6 - средства установки изоляционного канала на проводник с током, 7 - изолятор, 8 - соединители изолятора с изоляционным каналом и средствами установки изоляционного канала на окружающие проводник стоком конструкции или на проводник с током.
По первому варианту изоляционный канал 2 закреплен на окружающих проводник с током конструкциях 9 (фиг.1) или на проводнике с током (на фиг. не показано) при помощи элементов 8. Концы элементов 2, выходящие за элементы 8, могут для удобства спускаться вниз. Канал 4 охватывает проводник с током 1 и расположен в зоне Б на безопасном расстоянии от проводника с током (за границей О зоны безопасного расстояния от проводника с током), которое выбрано в зависимости от величины напряжения проводника с током и превышает наименьшее изоляционное расстояние по воздуху (в свету). Наименьшее изоляционное расстояние принимают, например, в соответствии с [Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), изд. 7. М, 2004. Разд. 2. Канализация электроэнергии, Гл. 2.5 Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ].
Внутри изоляционного канала проложен чувствительный элемент с отражающим зеркалом на конце, помещенный в диэлектрическую защитную оболочку 4, который является продолжением соединительного волоконно-оптического диэлектрического кабеля 3. Участки чувствительного элемента с отражающим зеркалом и четвертьволновой пластиной совмещены и помещены в разъемный соединитель 5.
По второму варианту изоляционный канал 2 закреплен при помощи элементов 8 на изоляторе 7 и средстве установки изоляционного канала на проводник с током 6 (фиг.2). Средство установки 6 может быть также установлено на окружающие проводник с током конструкции 9 (на фиг. не показано). Канал 4 охватывает проводник с током 1 и расположен в зоне Б на безопасном расстоянии от проводника с током (за границей О зоны безопасного расстояния от проводника стоком), которое выбрано в зависимости от величины напряжения проводника с током и превышает наименьшее изоляционное расстояние по воздуху (в свету).
Внутри изоляционного канала проложен чувствительный элемент с отражающим зеркалом на конце, помещенный в диэлектрическую защитную оболочку 4, который является продолжением соединительного волоконно-оптического диэлектрического кабеля 3. Участки чувствительного элемента с отражающим зеркалом и четвертьволновой пластиной совмещены и помещены в разъемный соединитель 5.
При работе устройства по варианту 1 элементы 2 и 8 предварительно устанавливают на окружающие проводник 1 конструкции 9 за границей О. Таким образом изоляционный канал расположен в зоне Б на безопасном расстоянии от проводника, которое выбрано в зависимости от величины напряжения проводника с током и превышает наименьшее изоляционное расстояние по воздуху (в свету). Наименьшее изоляционное расстояние принято, например, в соответствии с [Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), изд. 7. М, 2004. Разд. 2. Канализация электроэнергии, Гл. 2.5 Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ]. Это обеспечивает безопасность работы персонала по оперативному монтажу/демонтажу чувствительного элемента в непосредственной близости с проводником тока, находящимся под напряжением. Для оперативного монтажа вручную заводят чувствительный элемент с отражающим зеркалом на конце 4 в канал 2 и проталкивают его по всей длине канала до тех пор, пока конец элемента 4 не выйдет на требуемую длину, необходимую для установки разъемного соединителя 5. Для облегчения проталкивания элемента 4 в канал 2 внутренняя поверхность последнего может быть покрыта слоем твердой смазки. Совмещают участки чувствительного элемента с отражающим зеркалом и четвертьволновой пластиной и помещают в разъемный соединитель 5. При этом следят, чтобы радиус изгиба оболочки (кабеля) 4 не снижался до минимально допустимых значений. Соединительный кабель 3 подсоединяет к оптоэлектронному модулю обработки сигналов. Проводят измерения тока. Для демонтажа устройства разбирают соединитель 5 и вытаскивают чувствительный элемент 4 из канала 2. Все работы по оперативному измерению тока в проводнике 1 проводят без отключения напряжения при использовании средств индивидуальной защиты от поражения электрическим током.
Поверку трансформаторов тока проводят путем сравнения данных, полученных с работающего трансформатора тока, и данных, полученных с оперативно установленного рядом волоконно-оптического трансформатора тока.
При работе устройства по варианту 2 элементы устройства 2, 6 и 8 закрепляют на изоляторе (штанге изолирующей оперативной) 7 так, чтобы изоляционный канал 2 располагался в зоне Б вне предварительно определенной границы О относительно номинального положения проводника с током, определяемым средствами установки изоляционного канала на проводник с током 6. Таким образом изоляционный канал в рабочем положении будет расположен в зоне Б на безопасном расстоянии от проводника, которое выбрано в зависимости от величины напряжения проводника с током и превышает наименьшее изоляционное расстояние по воздуху (в свету). Для оперативного монтажа проталкивают вручную чувствительный элемент с отражающим зеркалом на конце 4 в канал 2 по всей его длине. Манипулируя рукояткой изолятора 7, устанавливают канал 2 вокруг проводника 1 в рабочее положение путем пропускания последнего в разрыв Р. При этом размер разрыва Р превышает габаритный размер поперечного сечения проводника 1. Проталкивают элемент 4 в канал 2 до тех пор, пока конец элемента 4 не выйдет на требуемую длину, необходимую для установки разъемного соединителя 5. Для облегчения проталкивания элемента 4 в канал 2 внутренняя поверхность последнего может быть покрыта слоем твердой смазки. Совмещают участки чувствительного элемента с отражающим зеркалом и четвертьволновой пластиной и помещают их в разъемный соединитель 5. При этом следят, чтобы радиус изгиба оболочки (кабеля) 4 не снижался до минимально допустимых значений. Соединительный кабель 3 подсоединяет к оптоэлектронному модулю обработки сигналов. Проводят измерения тока. Для демонтажа устройства разбирают соединитель 5 и вытаскивают чувствительный элемент 4 из канала 2. Все работы по оперативному измерению тока в проводнике 1 проводят без отключения напряжения при использовании средств индивидуальной защиты от поражения электрическим током.
Примерами выполнения группы полезных моделей являются чувствительные элементы, содержащие магниточувствительное оптическое SPUN волокно. Изоляционный канал 2 выполнен, например, из трубы защитной пластмассовой трубы со слоем твердой смазки на внутренней поверхности [Сайт ЗАО «Пластком» http://www.plastcom.spb.ru/products/plastic pipes/ Дата обращения 28.08.2012. Режим доступа открытый] типоразмера 32/3 мм. Соединительный оптический кабель 3 и диэлектрическая оболочка 4 -на основе конструкции кабеля ОПМ [Сайт ЗАО «ОКС 01» http://www.ocs01.ru/cataloq/grunt орт Дата обращения 28.08.2012. Режим доступа открытый]. Отражатель излучения получен скалыванием волокна. Скол выполняет роль френелевского зеркала. Четвертьволновая пластинка выполнена из оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Разъемный соединитель выполнен в соответствии с конструкцией, приведенной в [Волоконно-оптический датчик электрического тока. Патент РФ RU 123965]. Средства 6 установки изоляционного канала на проводник с током выполнены на основе стеклопластиковой трубы. Изолятор 7 выполнен на основе штанги изолирующей оперативной [ГОСТ 20494-2001 Штанги изолирующие оперативные и штанги переносных заземлений. Общие технические условия]. Соединители 8 выполнены в виде пластиковых скоб типоразмера 35 мм [Сайт группы компаний IEK http://http.7/www.iek.ru/products/cataloq/detail.php?ID=9123 Дата обращения 28.08.2012. Режим доступа открытый] и оригинальных диэлектрических клеммовых соединителей. Время установки на проводник с током устройства по варианту 1, включая установку чувствительного элемента, составляет не более 3 часов, а устройства по варианту 2 - не более 30 минут. Время снятия устройства значительно меньше. Таким образом, группа полезных моделей позволяет упростить конструкцию преобразователя электрического тока и ускорить процедуру его установки для оперативного измерения тока линии электропередачи или поверки работающего трансформатора тока без снятия напряжения.