ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а точнее к поляризационным приборам, в которых используется эффект поворота плоскости поляризации света веществом, находящимся в продольном магнитном поле (эффект Фарадея). Она может быть использована в электроэнергетике для измерения переменного тока в высоковольтных сетях.
Для измерения переменного тока в высоковольтных сетях предлагается оптико-электронный измеритель тока, в основе которого лежит магнитное вращение плоскости поляризации света (магнитооптический эффект Фарадея) [1]. Подобные устройства получили название оптико-электронных трансформаторов тока [2].
Близким аналогом по отношению к предлагаемому оптическому измерителю переменного тока является магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 [3], структурная схема которого показана на фиг. 1. Преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 содержит источник света 1 (фиг. 1) и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, коллиматор 3, первый поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырех стеклянных призм 5 типа БР-180°, охватывающих по кругу проводник с током 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая линза 8, второе оптическое многомодовое волокно 9, фотоприемник 10 и блок преобразования сигналов 11.
Недостатком магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока МПР-МЭ-5 является то, что на базе данного известного преобразователя сложно создать универсальное компактное устройство, например для открытых высоковольтных подстанций. Показанная на фиг. 1 конструкция устройства хрупкая и для использования его на открытых высоковольтных подстанциях требует существенной доработки для обеспечения жестокости, защиты от осадков и воздействия температур в пределах от минус 50°C до плюс 60°C (ГОСТ 12997 (Р52931), группа С4.
Кроме того, разность фаз δ между компонентами поляризованного света, полученная в процессе полного внутреннего отражения в предыдущей призме, полностью компенсируется в результате полного внутреннего отражения в последующей призме только тогда, когда ток в проводнике i=0.
Как только начинает появляться ток i и начинает изменятся азимут линейной поляризации (начинается эффект Фарадея), то условия полной компенсации разности фаз δ нарушаются и происходит паразитное изменение состояния поляризации света, что отрицательно сказывается на точности измерений величины тока i.
Предлагается устройство, свободное от этих недостатков.
Оптический измеритель переменного тока, который содержит источник света, многомодовое оптическое волокно, торец которого находится в фокальной плоскости коллимирующей линзы, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью поляризации первого поляризатора, собирающая линза, второе многомодовое оптическое волокно и фотоприемник, а также линейный усилитель сигнала фотоприемника, блок преобразования сигналов и индикатор результатов измерений.
Оптические волокна, коллиматорная и собирающие линзы, поляризаторы и четырехугольная стеклянная призма закреплены в едином монолитном корпусе из диэлектрического материала, например из стеклопластика, и представляют собой универсальный блок ячейки Фарадея. Фрагмент проводника высоковольтной сети выполнен в виде плоской шины и имеет форму скобы, охватывающей монолитный блок ячейки Фарадея.
На фиг. 1 показана структурная схема известного магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока и импульсного тока МПР-МЭ-5 [4].
На фиг. 2 показана схема конструкции предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях.
На фиг. 3 показан один из вариантов закрепления предлагаемого оптического измерителя переменного тока на высоковольтном изоляторе (высоковольтной покрышке).
Предлагаемый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях (фиг. 2) содержит источник света 1, например, в виде модуля полупроводникового квантового генератора и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, торец которого находится в фокальной плоскости установленного за ним коллиматора в виде линзы 3, первый поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5, выполненный из стекла с высоким значением постоянной Вердэ, находящийся в продольном по отношению к направлению света магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника (шины) с током высоковольтной сети 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая линза 8, второе многомодовое оптическое волокно 9, фотоприемник 10. Фотоприемник 10 подключен к линейному усилителю, который находится в блоке преобразования сигналов 11. Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной призмы 5 высотой h из стекла с высокой постоянной Вердэ, например из стекла марки ТФ5. Первое основание 12 призмы 5, на которое падает свет, полировано, и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие 13 в виде прямоугольной полосы шириной D, равной диаметру коллимированного пучка света. Другое основание 14 четырехугольной стеклянной призмы 5 разделено на три равные прямоугольные зоны 15, 16, 17. По обе стороны от центральной прямоугольной зоны 16 содержатся две полированные поверхности 15 и 17 с зеркальными покрытиями, которые составляют с плоскостью центральной зоны 16 одинаковые углы ,
где: D - диаметр коллимированного пучка света;
h - высота четырехугольной призмы 5.
Оптические волокна 2,9, коллиматорная 3 и собирающая 8 линзы, поляризаторы 4,7 и четырехугольная стеклянная призма 5 закреплены в монолитном корпусе 19 из диэлектрического материала, например стеклопластика. Верхняя часть корпуса 19 закрыта защитным колпаком 20 тоже из стеклопластика.
Для достижения наибольшей эффективности использования напряженности магнитного поля проводника с измеряемым током фрагмент проводника выполнен в виде плоской шины и имеет форму скобы 6 (фиг. 2), охватывающей монолитный корпус 19 блока ячейки Фарадея. На фиг. 3 показан один из вариантов закрепления предлагаемого оптического измерителя переменного тока на высоковольтной покрышке 21 при использовании его в высоковольтных сетях.
Высоковольтный изолятор в виде покрышки 21 имеет внутреннюю плоскость и содержит верхний 22 и нижний 23 металлические фланцы.
К верхнему фланцу 22 прикреплен корпус блока ячейки 19 таким образом, что жгуты многомодовых оптических волокон 2 и 9 с помощью отверстий во фланце 22 размещены в плоскости высоковольтного изолятора-покрышки 21.
Нижний фланец 23 служит для закрепления всей конструкции измерителя переменного тока на опоре или, например, на корпусе высоковольтного трансформатора.
В нижнем фланце 23 имеются два герметичных штуцера 24 и 25 для вывода оптических волокон 2 и 9.
Для закрепления фрагмента проводника (шины) 6 на верхнем фланце 22 установлены два кронштейна 26 и 27 и два хомута 28, 29.
Фрагмент проводника в виде скобы из шины 6 закреплен на кронштейнах 26, 27 так, что он охватывает корпус ячейки Фарадея 19 на уровне активного элемента 5 (фиг. 2), но между корпусом 19 и шиной 6 имеется воздушный зазор.
Предлагаемый измеритель переменного тока работает следующим образом.
Свет от источника 1 (фиг. 2) по оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 4, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.
Если ток по шине 6 не протекает (i=0) и магнитное поле вокруг шины 6 отсутствует, то в процессе прохождения света через призму 5 его состояние поляризации не изменяется. Поскольку плоскость пропускания поляризатора 7 отличается от плоскости пропускания поляризатора 4 на угол ±45°, то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью
0
где: I - интенсивность света источника 1;
R - общий коэффициент отражения;
τ - общий коэффициент пропускания всех элементов оптики.
Если по шине 6 протекает переменный ток i=imax sin ωt частоты сети 50 Гц, то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью
max
max
где: α=HVLcosβ - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой 5;
V - постоянная Вердэ материала призмы 5;
L - общая длина пути света в призме 5;
β - угол между направлением распространения света и магнитными силовыми линиями поля.
Фотоприемник 10 работает в линейном режиме, поэтому световой поток I преобразуется в электрический сигнал
где  - постоянная составляющая электрического сигнала фотоприемника 10.
Блок формирования и преобразования сигналов 11 вычисляет отношение переменной составляющей
0
к постоянной составляющей U
а затем искомый ток i, протекаемый по проводнику 6, по формуле
где М - коэффициент, характеризующий эффективность использования магнитного поля.
Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом табло блока формирования и преобразования сигналов 11 и с помощью интерфейса транслируется на другие внешние устройства.
Как правило, линии электропередач являются трехфазными.
Поэтому предлагаемый оптический измеритель переменного тока включает в себя три высоковольтных изолятора 21 с укрепленными на них тремя блоками ячеек Фарадея 19 и один общий блок, в котором размещены отдельные формирователи и преобразователи сигналов 11 для каждой фазы.
Преимуществом предлагаемого оптического измерителя переменного тока является выполнение фрагмента проводника высоковольтной сети в виде плоской шины и имеющей форму скобы, охватывающей активный элемент ячейки Фарадея. Это позволяет максимально использовать магнитное поле проводника и добиться максимальной чувствительности и точности измерения тока, протекаемого по шине. К тому же в этом случае шина, охватывающая ячейку Фарадея, является дополнительной защитой от механических и климатических воздействий на оптические элементы ячейки Фарадея.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Лансберг Г.С. Оптика. 4 изд. М., 1957, с. 618-620.
2. Зубков В.П., Крастина А.Д. Оптико-электронные методы измерения в установках высокого напряжения: (обзор). - М.: Информэнерго, 1975. 156 с.
3. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5,000 «НПП МарсЭнерго» (приборы для электроэнергетики), www.mars-energo.ru.