ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к чувствительным элементам устройств для пассивного измерения напряжения в высоковольтных линиях электропередач, более конкретно к чувствительным элементам, выполненным из пьезоэлектрических монокристаллов и работающим на эффекте Поккельса. Полезная модель может быть использована для контроля напряжения в различных областях науки и техники, таких как энергетика, металлургическая, химическая, судостроительная промышленность.
Важнейшим функциональным узлом систем контроля являются датчики физических величин, воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта техники. Первичным узлом датчиков, регистрирующим и передающим информацию о параметрах объекта, является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, который преобразует неэлектрические физические величины в электрические сигналы. Достоинствами таких датчиков являются малые размеры, безинерционность и пассивный принцип действия (не требуется внешний источник электрической энергии).
В настоящее время для контроля и учета активной и реактивной электроэнергии и мощности на промышленных предприятиях используют автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета электроэнергии. Их метрологические характеристики определяются в первую очередь установленными измерительными приборами и преобразователями - измерительными трансформаторами напряжения, необходимыми для сопряжения измерителей с цепями высокого напряжения и тока. Известны волоконно-оптические датчики - небольшие по размерам устройства, в которых оптическое волокно используется как в качестве линии передачи данных, так и в качестве чувствительного элемента, способного детектировать изменения различных величин (см. L. Duvillaret et al., "Electro-Optic Sensors for Electric Field Measurements. II. Choice of the Crystals and Complete Optimization of Their Orientation", J. Opt. Soc. Am. D, vol. 19, No. 11, Nov. 2002, pp. 2704-2715).
Известны также оптические измерительные трансформаторы напряжения, работа которых основана на использовании светового потока для измерения параметров высоковольтных объектов и оптического канала связи для передачи информации из зоны высокого потенциала. Известна схема, когда измеряемый сигнал взаимодействует с параметрами пассивной среды, в которой распространяется световой поток источника, обратной передаче этого потока по световодам в зону низкого потенциала и преобразование его в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу. Основным преимуществом оптических измерительных трансформаторов напряжения является отсутствие электронной аппаратуры в зоне высокого потенциала, что позволяет системе функционировать длительное временя без доступа обслуживающего персонала в зону высокого потенциала.
Эффект Поккельса (электрооптический эффект) наблюдается только в пьезокристаллах, тогда как во всех центросимметричных телах (жидкости, газы, аморфные тела и т.д.) эффект Поккельса отсутствует. Большой интерес к применению линейного электрооптического эффекта для измерения напряженности электрического поля связан с наличием кристаллов, обладающих этим эффектом и которые широко применяются в качестве ультразвуковых излучателей, акустооптических модуляторов и пьезодатчиков (см. Nicolas A.F. et al., "Integrated Optics Pockels Cell High-Voltage Sensor", IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, No. 1, Jan. 1995, pp. 127-134, а также опубликованные патентные заявки US, Patent Appln. 2010/0283451 и US, Patent Appln. 2010/0109642).
Известны различные конструкции оптических датчиков напряжения, принадлежащие различным компаниям, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc., Airak, Inc., FieldMetric, Inc. (FMI), а также российские компании «Про-Лайн, ОАО «ТГК1», ООО «Уникальные волоконные приборы».
Известны различные конструкции чувствительных элементов для измерительных трансформаторов напряжения, работающие на эффекте Поккельса как российских, так и иностранных компаний (см., например, опубликованные патентные заявки US, Patent Application, 2014/0300341 и US, Patent Application, 2004/0239307; а также патенты US, 6621258; US, 6285182; US,5936395; US, 5939711, US, 5731579). Недостатками известных устройств являются низкая точность измерения и малый диапазон величин измеряемых напряжений. Существенным недостатком для их применения является также температурный диапазон от 0 до 50°С.
Вместе с тем имеется потребность в устройствах, работающих на эффекте Поккельса, которые удовлетворяли бы требованиям температурной стабильности, необходимой для мониторинга высокого напряжения линий передач, где требуется высокая точность измерения напряжения в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 60°С.
В этой связи к материалу для изготовления чувствительного элемента для использования в составе оптического измерительного трансформатора напряжения на эффекте Поккельса предъявляются следующие требования:
10
1) кристалл должен иметь удельное электрическое сопротивление не менее 10 Ом⋅см;
2) кристалл должен быть высокого оптического качества с воспроизводимыми параметрами и иметь значительные размеры. В зависимости от номинального напряжения измерительного трансформатора напряжения, длина чувствительного элемента должна варьироваться от 100 до 500 мм. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде сборки из нескольких элементов, однако, чрезмерное увеличение числа элементов нежелательно с точки зрения механической надежности и стабильности характеристик измерительного трансформатора напряжения;
3) симметрия кристалла должна допускать реализацию продольного эффекта Поккельса;
4) вдоль выбранного направления распространения света кристалл должен обладать естественным линейным двулучепреломлением, так как естественное двулучепреломление кристалла существенно уменьшает влияние неконтролируемых температурно-зависимых механических напряжений в кристалле на измеряемую величину электрооптического эффекта;
5) в рабочем диапазоне температур электрооптические константы кристалла, определяющие чувствительность измерительных трансформаторов напряжения, должны минимально зависеть от температуры.
2
4
4
10
Число кристаллов, допускающих продольный электрооптический эффект, весьма велико. Однако лишь очень немногие из них удовлетворяют всем приведенным выше требованиям, в частности, по электроизолирующим свойствам и по наличию хорошо отработанной технологии производства, позволяющей получать монокристаллы больших размеров и высокого качества. В первую очередь, это кристаллы кварца (SiO), относящегося к классу симметрии 32. Кроме того, значительный интерес представляют электрооптические кристаллы KTP (KTiOPO), и RTP (RbTiOPO), относящиеся к кристаллографическому классу mm2. Электрооптические коэффициенты этих кристаллов существенно больше, чем у кварца, при этом разработаны технологии получения кристаллов с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см. Размеры коммерчески доступных высокоомных кристаллов KTP достигают величин 50×50×50 мм.
4
3
12
Патент US, 9291650 раскрывает оптические датчики высокого напряжения, работающие на электрооптическом эффекте, чувствительный элемент которых выполнен из таких кристаллов, как BiGeO (BGO). Приложенное к кристаллам напряжение вносит дифференциальный (различный) оптический фазовый сдвиг между двумя ортогональными линейно поляризованными световыми волнами, распространяющимися через кристалл. Величина этого фазового сдвига пропорциональна величине прикладываемого к кристаллу напряжения. На выходе из кристалла световые волны интерферируют на поляризаторе. Результирующая интенсивность света служит мерой фазового сдвига и, следовательно, напряжения.
4
3
12
Патенты US, 4904931 и US, 6252388 раскрывают датчик напряжения, в котором напряжение величиной до 100 кВ прикладывается по длине кристалла BiGeO (BGO). Длина кристалла составляет величину от 100 до 250 мм. Преимущество известного устройства состоит в том, что сигнал чувствительного элемента соответствует истинному напряжению, то есть линейному интегралу электрического поля вдоль кристалла. Патент US, 6252388 раскрывает датчик напряжения, в котором чувствительный элемент выполнен в виде нескольких небольших электрооптических кристаллов, установленных вдоль продольной оси полого высоковольтного изолятора. Кристаллы измеряют электрические поля в своих локальных местах. Сумма этих измерений локального поля служит приближением величины напряжения, приложенного к изолятору. Габаритные размеры известных устройств аналогичны размерам обычных индуктивных трансформаторов напряжения.
Известен чувствительный элемент, выполненный из кварца, в котором напряжение распределяется между несколькими кристаллами кварца, каждый из которых имеет длину 150 мм (см., например, патент US, 9291650). Пьезоэлектрическая деформация кристаллов под действием приложенного напряжения передается на оптическое волокно, которое переносит, по меньшей мере, две разные световые моды. Световые волны, проходящие через волокно, испытывают дифференциальный оптический фазовый сдвиг, пропорциональный напряжению. Торцы каждого кристалла снабжены электродами, которые обеспечивают относительно однородное распределение поля на кристаллах. Электроды соседних кристаллов соединены между собой электрическими проводниками.
3
5.5
0.5
14
3
5
14
12
Известны электрооптические материалы семейства галлогермонатов, такие как лан-гатат (LaGaTaO) и лангасит (LaGaSiO), которые принадлежат к классу симметрии 32 и характеризуются наличием электрооптического эффекта со слабой температурной зависимостью и достаточно большими электрооптическими коэффициентами. Так, электрооптический коэффициент лангасита составляет величину 3 пкм/В против величины 0,4 пкм/В у кварца. Удельное электрическое сопротивление этого кристалла составляет величину 4⋅10 Ом⋅см. Разработана технология выращивания монокристаллов лангасита с линейными размерами до 120 мм и массой до 7 кг. Кристаллы лангасита характеризуются слабой температурной зависимостью естественного двулучепреломления в требуемых температурных интервалах (см. Langasites as electro-optic materials for highvoltage optical sensors V. Ivanov, A. Stepanov, V. Alenkov, O. Buzanov. Optical materials express, 2017, Vol. 7, No. 9, 3366, а также J. Stade et. all, "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite, Langanite and Langatite", Cryst. Res. Technol 37(10), 1113-1120 (2002).
Патенты US,5731579; US, 5939711 и US, 6492800 раскрывают датчики напряжения на эффекте Поккельса, которые включают поляризатор на входе и сплиттер на выходе устройства, способные успешно работать при постоянной температуре. Однако в широком интервале температур известные устройства не способны контролировать напряжение с требуемой точностью.
На точность измерения величины напряжения влияет термическая стабильность пьезоэлектрического кристалла, а также точность определения разности фаз собственных волн при прохождении через пьезоэлектрический кристалл. Большую погрешность на измерения величины разности фаз в пьезоэлектрическом кристалле вносит собственное двулучепреломление, вызванное деформацией пьезокристалла при наложении электрического поля (обратный пьезоэффект). Данная проблема решена в патенте RU, 2579541, в котором использован сборный чувствительный элемент, состоящий из пары идентичных монокристаллических чувствительных элементов цилиндрической формы и соосно соединенных торцами так, что их электрические оси X повернуты относительно друг друга на 180°, что обеспечивает компенсацию влияния обратного пьезоэффекта, изменяющего размеры пьезоэлектрического кристалла под действием приложенного напряжения на величину фазового сдвига, что повышает точность измерений напряжения.
В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции чувствительного элемента для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, которая позволила бы измерять напряжения величиной свыше ПО кВ с точность не хуже 0,2% и со слабой температурной зависимостью в интервале температур от минус 60°С до плюс 60°С.
Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, работающих на эффекте Поккельса, включает, по крайней мере, два пьезоэлектрических монокристалла семейства лангасита цилиндрической формы и электроды, где пьезоэлектрические монокристаллы имеют идентичную кристаллографическую ориентацию Х-среза, каждый из пьезоэлектрических монокристаллов имеет противолежащие торцевые поверхности, при этом пьезоэлектрические монокристаллы соосно соединены друг с другом торцевыми поверхностями неразъемным соединением так, что электрические оси X соседних монокристаллов повернуты относительно друг друга на 180°, а их кристаллографические оси Y и Z перпендикулярны, соответственно, кристаллографическим осям Y и Z соседнего монокристалла, при этом электроды сформированы на противолежащих торцевых поверхностях пьезоэлектрических монокристаллов, кроме того, торцевые поверхности каждого пьезоэлектрического монокристалла имеют отклонение от плоскостности не более 20 мкм, величину шероховатости Ra не более 0,01 мкм, а отклонение от параллельности торцевых поверхностей пьезоэлектрических монокристаллов имеет величину не более 3 мкм.
3
5
14
Предпочтительно, что каждый из пьезоэлектрических монокристаллов выполнен из лантан галлиевого силиката LaGaSiO, при этом имеет ориентацию торцевых поверхностей перпендикулярно кристаллографической оси X, где точность ориентации торцевых поверхностей не хуже ±10 угловых минут.
Целесообразно, что длина каждого из пьезоэлектрических монокристаллов вдоль кристаллографической оси X составляет величину из диапазона от 40 до 60 мм, а длина оптического чувствительного элемента имеет величину не более 250 мм.
Кроме того, предпочтительно, что неразъемное соединение торцевых поверхностей соседних монокристаллов выполнено либо методом диффузионной сварки, либо склеиванием кристаллов с помощью оптических клеев.
Сущность полезной модели состоит в том, что пьезоэлектрический чувствительный элемент для оптических измерительных трансформаторов напряжения представляет собой сборную конструкцию и состоит из серии идентичных монокристаллов лангасита цилиндрической формы, соосно соединенных торцевыми поверхностями с помощью неразъемного соединения, и имеет ориентацию торцевых поверхностей перпендикулярно кристаллографической оси X, при этом предъявляются требования к обработке торцевых поверхностей соединяемых пьезоэлектрических монокристаллов.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 приведено вертикальное сечение чувствительного элемента. На фиг. 1 введены обозначения: 1, 2 - пьезоэлектрические монокристаллы; 3 - неразъемное соединение; 4 и 5 - электроды чувствительного элемента.
Пьезоэлектрические монокристаллы 1 и 2 соединены между собой неразъемным соединением 3 соосно торцевыми поверхностями так, что их кристаллографические оси X повернуты относительно друг друга на 180°, а одноименные кристаллографические оси Y и Z ортогональны. На двух противолежащих торцевых поверхностях чувствительного элемента, перпендикулярных кристаллографическим осям X монокристаллов лангасита, сформированы электроды 4 и 5.
Принцип работы данного оптического чувствительного элемента основан на формировании за счет линейного электрооптического эффекта Поккельса эллиптической поляризации светового пучка при его прохождении через монокристаллы лангасита 1 и 2.
Чувствительный элемент, выполненный из монокристалла лангасита и предназначенный для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения работает следующим образом. На чувствительный элемент подается световой поток вдоль его длины, которая совпадает с кристаллографическими осями X монокристаллов лангасита 1 и 2. Световой поток направляется под углом 45° к кристаллографическим осям Y и Z. В этом случае в кристалле возникают две поляризационные моды: одна поляризована параллельно оси Y, а другая - параллельно оси Z, чтобы каждая поляризационная мода светового пучка распространялась в плоскостях кристаллографических осей монокристаллов лангасита 1 и 2, т.е. одна мода поляризована вдоль кристаллографической оси Y одного пьезоэлектрического монокристалла 1 лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Z другого пьезоэлектрического монокристалла 2 лангасита, другая мода поляризована вдоль кристаллографической оси Z одного монокристалла 1 лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Y другого монокристалла 2 лангасита. В отсутствии внешнего электрического поля на выходе из чувствительного элемента световой поток имеет эллиптическую поляризацию из-за разницы фаз двух поляризационных мод. При приложении к торцам чувствительного элемента с помощью электродов 4 и 5 электрического напряжения, воздействующего на пьезоэлектрические монокристаллы лангасита 1 и 2 по их кристаллографическим осям X, изменяется степень эллиптичности поляризации светового потока из-за набега разницы фаз поляризационных мод вследствие электрооптического эффекта. Между поляризационными модами светового пучка возникает дополнительная разность фаз, которая пропорциональна величине приложенного электрического напряжения. Поворот относительно друг друга на 180° электрических осей X пьезоэлектрических монокристаллов лангасита 1 и 2 позволяет уменьшить погрешность измерения напряжения за счет подавления собственного двойного лучепреломления, возникающего за счет обратного пьезоэффекта. Кроме того, строгие требования, предъявляемые к торцевым поверхностям монокристаллов лангасита, уменьшают погрешность, обусловленную искажением фронта проходящего светового пучка через неразъемное соединение 3 монокристаллов на границе раздела монокристаллов 1 и 2. Согласно данной полезной модели, торцевые поверхности чувствительного элемента на основе монокристаллов лангасита имеют следующие параметры:
отклонение от плоскостности не более 20 мкм;
шероховатость Ra не более 0,01 мкм;
точность ориентации перпендикулярно оси X не более ±10 угловых минут;
отклонение от параллельности торцевых поверхностей чувствительного элемента не более 3 мкм.
Пример.
Для изготовления чувствительного элемента, согласно данной полезной модели, предварительно готовят серию идентичных по материалу и кристаллографической ориентации, а также форме и размерам заготовок.
Заготовки для чувствительного элемента производятся путем резки предварительно выращенного объемного монокристалла лангасита на идентичные по форме и размерам пьезоэлектрические заготовки с ориентацией противолежащих торцевых поверхностей перпендикулярно кристаллографической оси X с точностью не хуже ±10 угловых минут, длиной 50 мм. При шлифовке и химико-механической полировке резаных торцевых поверхностей достигаются предварительно заданные отклонение от плоскостности не более 20 мкм, шероховатость Ra не более 0,01 мкм, отклонение от параллельности торцевых поверхностей элемента не более 3 мкм.
Далее формируется неразъемное соединение 3 двух заготовок, прошедших шлифовку и химико-механическую полировку, либо методом диффузионной сварки, либо склеиванием пьезоэлектрических монокристаллов с помощью оптических клеев соосно полированными торцевыми поверхностями, так чтобы кристаллографические оси X соседних заготовок были повернуты относительно друг друга на 180°, а их одноименные кристаллографические оси Y и Z ортогональны. Соответственно длина чувствительного элемента, состоящего из двух идентичных пьезоэлектрических монокристаллов 1 и 2 длиной по 50 мм, равна 100 мм. Противолежащие торцы чувствительного элемента снабжены электродами 4 и 5, с помощью которых к торцам чувствительного элемента прикладывается измеряемое напряжение. На чувствительный элемент вдоль его длины, которая совпадает с кристаллографической осью X, подается линейно поляризованный световой пучок с длиной волны 1,5 мкм.
Световой поток направляется под углом 45° к кристаллографическим осям Y и Z кристаллов, чтобы каждая поляризационная мода светового пучка распространялась в плоскостях кристаллографических осей монокристаллов лангасита (одна мода поляризована вдоль кристаллографической оси Y одного монокристалла лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Z другого монокристалла лангасита, другая мода поляризована вдоль кристаллографической оси Z одного монокристалла лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Y другого монокристалла лангасита). В отсутствии внешнего электрического поля на выходе из кристалла световой поток имеет эллиптическую поляризацию из-за разницы фаз двух поляризационных мод. При приложении к торцам чувствительного элемента электрического напряжения с помощью электродов 4 и 5, воздействующее на монокристаллы лангасита по их кристаллографическим осям X, изменяется степень эллиптичности поляризации светового потока из-за набега разницы фаз поляризационных мод вследствие электрооптического эффекта. Эта дополнительная разница фаз пропорциональна величине приложенного электрического напряжения.
Чувствительный элемент для оптических измерительных трансформаторов напряжения, выполненный согласно данной полезной модели, позволяет измерять напряжений свыше 110 кВ с точностью не хуже 0,2% и со слабой температурной зависимостью в интервале температур от минус 60°С до плюс 60°С.