ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
OPTICAL AC MEASURING DEVICE

Изобретение относится к области информационно-измерительных систем, измерительным преобразователям тока высоковольтных энергетических и электрофизических установок, и, в частности, к поляризационным приборам для измерения силы тока, в которых используется эффект поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света веществом, находящимся в продольном магнитном поле (эффект Фарадея).
Традиционно для измерения переменного тока в высоковольтных ЛЭП используются трансформаторы тока в виде катушки из медного провода с большим количеством витков, которая надета на фрагмент проводника (шины) ЛЭП. Благодаря переменному току, протекаемому по фрагменту проводника, вокруг него возникает переменное магнитное поле, которое наводит в катушке переменную разность потенциалов, пропорциональную току.
Существенным недостатком традиционных трансформаторов тока является то, что его катушка, находясь под нулевым потенциалом, должна надежно изолироваться от фрагмента проводника ЛЭП, находящегося под высоким потенциалом.
С ростом класса ЛЭП требования к изоляции резко возрастают и усложняются конструктивные требования. Этот недостаток можно устранить, если вместо традиционного трансформатора тока использовать ячейку Фарадея, которая вся может находиться под высоким потенциалом ЛЭП, а свет может подаваться на ячейку от источника и приниматься для подачи его на фотоприемник с помощью оптических волокон, которые являются диэлектриками.
Известно, что если в центре соленоида из N витков установить, вещество обладающее большой постоянной Вердэ и на него направить линейно поляризованный свет, а через соленоид пропустить ток i, то на выходе вещества можно обнаружить эффект поворота плоскости поляризации на угол
где: Н - усредненное значение напряженности продольного магнитного поля, действующего на цилиндр;
V - постоянная Вердэ вещества;
L - длина активного вещества;
β - угол между направлением света и направлением силовых линий;
N - число витков соленоида;
I - ток, протекаемый по проводнику соленоида;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий соотношение длины, диаметра соленоида и усреднения напряженности магнитного поля в различных точках вещества.
Такое устройство иногда называют ячейкой Фарадея.
Измеряя угол поворота плоскости поляризации, можно определить величину тока i, протекаемого по проводнику соленоида ячейки Фарадея,
где N, k, V и L - постоянные величины для конкретной конструкции ячейки Фарадея.
Следует заметить, что зависимость угла поворота плоскости поляризации α от напряженности магнитного поля Н и зависимость магнитного поля Н от тока соленоида i являются линейными функциями, что упрощает задачу измерения токов, например, в высоковольтных линиях электропередач (ЛЭП).
Иногда для измерения тока в высоковольтных линиях в качестве активного вещества ячейки Фарадея используют специальное оптическое волокно.
Представителем таких известных устройств является «Токоизмерительная система, использующая эффект ячейки Фарадея» по патенту США №3605013, G01R 15/246, от 16.11.1968 г.
Структурная схема устройства показана в описании патента.
Известное устройство содержит источник света и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно, соединитель, поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, представляющий собой катушку из оптического одномодового волокна, надетую на фрагмент проводника высоковольтной линии, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, соединитель, многомодовое оптическое волокно, фотоприемник и электронный блок преобразования сигналов. В процессе прохождения тока i по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого совпадают с витками оптического одномодового волокна и, следовательно, совпадают с направлением распространения лучей света.
Недостатком известного устройства является то, что в процессе прохождения поляризованного света через оптическое многомодовое волокно в результате многократного хаотического полного внутреннего отражения на границе контакта сердцевины и оболочки волокна происходит преобразование линейно поляризованного света, смешивание различных состояний поляризации, что приводит к частичной или полной деполяризации света. Поэтому многомодовое оптическое волокно непригодно для использования его в качестве активного элемента ячейки Фарадея.
Оптические волокна под названием «Панда» или «Галстук-бабочка» так же мало пригодны из-за сильного двулучепреломления.
В известных оптических трансформаторах тока в качестве активного элемента ячейки Фарадея часто применяют одномодовое оптическое волокно (диаметр волокна 4 мкм), в котором угол падения при полном внутреннем отражении близок к 90° и в процессе распространения в нем поляризованного света его состояние поляризации изменяется меньше. Такое оптическое волокно можно представить в виде набора фазовых пластинок, вносящих небольшую разность фаз δ, главные оси которых хаотически расположены по отношению к плоскости поляризации света, проходящего по волокну. В результате происходит частичная деполяризация света с коэффициентом деполяризации Δр.
Если по проводнику протекает переменный ток с частотой ω=50 Гц, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником изменяется по закону
0
где I - интенсивность света источника;
р=1-Δр - степень поляризации света после оптического волокна 5;
Δр - коэффициент деполяризации света в оптическом волокне;
mах
α - максимальное значение угла поворота плоскости поляризации света, соответствующей максимальной амплитуде напряженности магнитного поля вокруг проводника;
ω=50 Гц - частота переменного тока в проводнике.
Блок преобразования сигналов определяет отношение
а затем искомый ток i в проводнике 4:
Из уравнения видно, что частичная деполяризация света Δр напрямую влияет на величину угла вращения плоскости поляризации α и, следовательно, на результат измерения тока i.
Кроме того, эффект деполяризации уменьшает динамический диапазон измерений.
Известно устройство-прибор для измерения электрического тока и магнитного поля по патенту США №4608535 от 02.12.1982 г., МПК G01R 33/02.
12
20
12
20
Устройство выполнено на основе ячейки Фарадея. Ячейка Фарадея выполнена из материала, состоящего из оксида висмута кремния (BiSiO) или оксида висмута германия (BiGeO), обладающего сравнительно большой постоянной Верде, имеющая толщину 3 мм и содержащая отражающий слой, состоящий из многослойных диэлектрических пленок, сформированных на обеих сторонах.
2
3
2
3
2
Поверхность ячейки Фарадея может быть покрыта прозрачной и электропроводящей тонкой пленкой, полученной распылением InO или InO-SnO для устранения эффектов внешних электрических полей.
Устройство позволяет измерять электрический ток и магнитное поле с высокой чувствительностью, при этом, располагая его в непосредственной близости от проводника.
Недостатком данного устройства является низкая динамическая стойкость оптического элемента (ячейки Фарадея), а значит и всего прибора, из-за хрупкости этого оптического элемента (ячейки Фарадея) - толщиной 3 мм. Конструкция прибора хрупкая и для использования его на открытых высоковольтных подстанциях требует существенной доработки для обеспечения жесткости, прочности, защиты от осадков и воздействия температур от -35 до +60°С (ГОСТ 12997 (Р52931).
Сложность конструкции увеличивается применении ярма (ярмо - часть магнитной системы электромеханических преобразователей и трансформаторов, не несущая основных обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи) со встроенной в него ячейкой Фарадея. Ярмо в конструкции необходимо для концентрации магнитного поля, т.е. для повышения чувствительности (точности) прибора. Без данного ярма прибор становится нечувствительным при малых значениях тока и напряжения в проводнике, что уменьшает диапазон измерений. Увеличение толщины оптического элемента (ячейки Фарадея) приведет к отличию между толщиной оптического элемента (ячейки Фарадея) и толщиной ярма, что снизит концентрацию магнитного поля на проходящих по оптическому элементу лучах поляризованного света. Соответственно это приведет к снижению чувствительности прибора. Что в свою очередь ограничивает область его применения. Увеличение толщины ярма вместе с толщиной оптического элемента (ячейки Фарадея) приведет к заметному утяжелению всей конструкции, что тоже ограничит его область применения.
Более близким аналогом по отношению к заявляемому оптическому трансформатору тока является магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 [Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5,000 «НПП МарсЭнерго» (приборы для электроэнергетики), www.mars-energo.ru), принят за прототип.
Согласно структурной схеме преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 содержит источник света и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно, коллиматор, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырех стеклянных призм типа АР-180°, охватывающих по кругу проводник с током, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, приемное устройство в виде собирающей линзы, второго оптического многомодового волокна, фотоприемника и блок преобразования сигналов.
Особенностями конструкции преобразователя является то, что четыре призмы типа АР-180° расположены последовательно по ходу распространения света, выполнены из стекла и образуют замкнутый контур вокруг проводника с током.
Для удобства ввода и вывода коллимированного пучка света торцы первой и последней призм дополнены клиньями. Между клином и первой призмой вклеен первый поляризатор, а между клином и последней призмой вклеен второй поляризатор. Плоскость пропускания поляризатора составляет угол ±45° с плоскостью пропускания поляризатора.
Торец оптического волокна установлен в фокальной плоскости коллиматора а торец второго оптического волокна находится в фокальной плоскости собирающей линзы.
Блок преобразования сигналов содержит источник питания, линейный усилитель сигнала фотоприемника и схему обработки сигнала.
Известный магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 работает следующим образом.
Свет от источника с помощью многомодового оптического волокна передается в фокальную плоскость коллиматора. Далее свет в виде расходящегося пучка падает на линзу, после нее становится коллимированным, проходит первый поляризатор становится линейно поляризованным и проходит последовательно призмы.
0
0
Если тока в проводнике нет, а все призмы свободны от механических нагрузок, выполнены из одного сорта стекла и их главные сечения попарно взаимно ортогональны, то линейно поляризованный свет, претерпевая полное внутреннее отражение, последовательно переходит с одной призмы в другую с сохранением азимута поляризации, соответствующего азимуту пропускания первого поляризатора. Азимут пропускания второго поляризатора отличается от азимута первого поляризатора на угол ±45°. Поэтому интенсивность света I после второго поляризатора равна Ι=0,25Ι, где I - интенсивность света, падающего на первый поляризатор. Весь этот пучок света собирается линзой на торце многомодового оптического волокна и по нему передается на фотоприемник.
Однако известный магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, в данном известном устройстве не эффективно используется магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током i.
В каждой из призм свет распространяется по прямой, составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии вокруг проводника имеют форму концентрических колец. Причем, напряженность магнитного поля Н у поверхности проводника наибольшая, а с увеличением радиуса r кольца убывает по закону
Поэтому в зоне центральной части каждой призмы напряженность поля Н наибольшая, а у концов призм существенно меньшая. К тому же, у концов призм направление силовых линий поля и направление света существенно различается, составляя между собой угол β, от которого зависит эффект поворота плоскости поляризации согласно закона Фарадея
На участках перехода света от одной призмы к другой лучи двигаются параллельно проводнику, то есть, перпендикулярно плоскостям колец магнитных силовых линий и не вносят никакого вклада в эффект Фарадея. Таким образом, линейно поляризованный свет проходит большой путь в стекле, а эффективность использования продольного магнитного поля проводника не высока.
Во-вторых, на базе данного известного устройства сложно создать универсальный компактный датчик ОИПТ, например, для открытых высоковольтных подстанций.
Известная конструкция устройства хрупкая и для использования его на открытых высоковольтных подстанциях требует существенной доработки для обеспечения жесткости, защиты от осадков и воздействия температур от -35 до +60°С (ГОСТ 12997 (Р52931).
Задачей заявляемого технического решения является создание оптического измерителя переменного тока (оптического трансформатора переменного тока) на базе ячейки Фарадея для высоковольтных линий электропередач.
Технический результат - высокая точность измерения величины и расширение диапазона измеряемого переменного тока.
Технический результат достигается тем, что оптический измеритель переменного тока на базе ячейки Фарадея для высоковольтных линий электропередач, содержит источник света и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно, коллиматор, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный из прозрачного вещества, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фотоприемное устройство в виде собирающей линзы, второе многомодовое оптическое волокно, фотоприемник, линейный усилитель сигнала фотоприемника, блок преобразования сигналов, при этом активный элемент ячейки Фарадея выполнен из стекла с высоким значением постоянной Вердэ в виде цилиндра и установлен внутри соленоида, образованного фрагментом проводника высоковольтной линии электропередач, а один торец цилиндра перпендикулярен его образующей, полирован и на его поверхность нанесено зеркальное покрытие, другой торец цилиндра содержит входную и выходную полированные поверхности, выполненные наклонными, образующие между собой ребро, пересекающее ось цилиндра, и составляющие с плоскостью торца цилиндра углы
где D - диаметр цилиндра, а  - длина цилиндра.
Осуществление изобретения.
Структурная схема заявляемого оптического измерителя тока показана на фиг. 1.
На фиг. 2 показан активный элемент ячейки Фарадея в виде стеклянного цилиндра.
Заявляемый оптический измеритель тока (оптический трансформатор переменного тока) (фиг. 1) содержит источник света 1 в виде высокоинтенсивного светодиода и установленные по ходу лучей многомодовое волокно 2, коллиматор в виде микрообъектива 3, первый пленочный поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5 в виде стеклянного цилиндра, фрагмент проводника ЛЭП в виде соленоида с током 6, второй пленочный поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая линза 8, второе многомодовое оптическое волокно 9 и фотоприемник 10.
Фотоприемник 10 подключен к линейному усилителю, который находится в блоке преобразования сигналов 11.
Оптическая ось коллиматора 3 (фиг. 1) перпендикулярна входной поверхности цилиндра, а оптическая ось фотоприемного устройства (собирающая линза 8 и торец второго оптического волокна 9) перпендикулярна выходной поверхности цилиндра. Оба поляризатора 4 и 7 выполнены в виде поляроидных пленок.
Как вариант исполнения, первый поляризатор 4 наклеен на входную полированную поверхность цилиндра 5, а второй поляризатор 7 наклеен на выходную поверхность цилиндра 5.
Соленоид 6 (фиг. 1), активный элемент ячейки Фарадея (цилиндр) 5 с поляризаторами 4 и 7, коллиматор 3 и собирающая линза 8 смонтированы в едином блоке ячейки Фарадея 12, который закреплен на верхней части полого высоковольтного изолятора 13 и находится под высоким потенциалом по отношению к земле, то есть под напряжением ЛЭП.
Во внутренней полости высоковольтного изолятора 13 проложены многомодовые волокна 2 и 9, на концах которых имеются специальные наконечники 14 для фиксации торцов волокон 2 и 9.
Верхние наконечники 14 закреплены в блоке ячейки Фарадея 12 так, что торец оптического волокна 2 находится в фокальной плоскости коллиматора 3, а торец оптического волокна 9 находится в фокальной плоскости собирающей линзы 8. В нижней части полого высоковольтного изолятора 13 имеются отверстия с вмонтированными уплотнителями для вывода оптических волокон 2,9 и подсоединения к электронному блоку 15, который находится под нулевым потенциалом, то есть, заземлен.
Нижние наконечники 14 оптических волокон 2,9 закреплены в блоке 15 так, что торец волокна 2 находится у источника света 1, а торец волокна 9 - у фотоприемника 10.
Размеры и, в частности, длина высоковольтного изолятора 13 зависят от класса высоковольтной ЛЭП. Поэтому длина оптических волокон 2,9 также зависит от класса высоковольтной ЛЭП и от места расположения электронного блока 15.
Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде цилиндра 5 (фиг. 2) из стекла с высоким значением постоянной Вердэ, например, из стекла марки ТФ5.
Один торец цилиндра 5 перпендикулярен его образующей, полирован и на его поверхности нанесено зеркальное покрытие.
Другой торец цилиндра 5 содержит две полированные поверхности, составляющие с плоскостью торца цилиндра углы
где D - диаметр цилиндра, а  - длина цилиндра.
Одна поверхность, на которую направляется коллимированный линейно поляризованный свет, является входной, а другая - выходной. Эти две входная и выходная полированные поверхности образуют между собой ребро, пересекающее ось цилиндра.
Для усиления эффекта Фарадея (т.е. для увеличения точности измерения электрического тока) возможно многократное (четное количество раз) прохождение луча света через стеклянный цилиндр диаметром D и длиной  (фиг. 2).
Свет, пропускаемый через цилиндр, поляризованный, поэтому следует избегать искажений состояния поляризации при отражении и преломлении; входящий и выходящий параллельные пучки света не должны виньетироваться и не должны касаться образующей цилиндра.
Виньетирование - ослабление проходящего под углом по отношению к оптической оси потока лучей в оптической системе.
Диаметры (размеры) сечения падающего и отраженного световых пучков должны вписываться во входную полированную поверхность торца цилиндра, т.е. должны быть не более 1/2D. При этом, координаты центров этих пучков должны быть 1/4D.
Из построения на фиг. 2 видно, что внутри стеклянного цилиндра для разделения на выходе падающего и отраженного пучков света, падающий на зеркало пучок света должен падать под углом γ, который вычисляется из уравнения
откуда
Для обеспечения необходимого направления падающего света под углом γ в обычном цилиндрическом стержне пришлось бы направлять свет на входную часть торца цилиндра под большим углом, чем угол γ, поскольку показатель преломления стеклянного цилиндра (стекла) на много больше показателя преломления воздуха. Это нежелательно потому, что при преломлении может происходить изменение линейно поляризованного света.
Чтобы избежать этих проблем, входящий и выходящий пучки света должны входить и выходить перпендикулярно входной и выходной граням цилиндра. Таким образом, входную и выходную грани стеклянного цилиндра следует «наклонить», т.е. их следует выполнить под углом
Это также способствует упрощению конструкции прибора потому, что в этом случае безразлично, какую величину показателя преломления имеет стекло, из которого изготовлен цилиндр.
Возможны другие варианты исполнения предлагаемого оптического измерителя тока (оптического трансформатора переменного тока).
Например, наклонные плоскости цилиндра 5 активного элемента ячейки Фарадея могут быть выполнены с зеркальным покрытием.
Осуществление изобретения
Работу заявляемого оптического измерителя тока (оптического трансформатора переменного тока) можно проиллюстрировать на примере структурной схемы, показанной на фиг. 1, когда фрагмент проводника ЛЭП выполнен в виде соленоида 6, а активный элемент ячейки Фарадея 5 выполнен в виде стеклянного цилиндра и находится внутри (окружен) соленоида 6.
Свет от высокоинтенсивного светодиода 1 по многомодовому оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллиматора 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется коллиматором 3 в коллимированный, проходит первый поляризатор 4, наклеенный на входную поверхность стеклянного цилиндра 5 и становится линейно поляризованным.
Оптическая ось коллиматора (объектив 3 и торец оптического волокна 2) перпендикулярна входной поверхности цилиндра 5.
Поэтому линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянный цилиндр 5 и падает на его зеркальную поверхность под углом
где D - диаметр цилиндра 5 и  - длина цилиндра 5.
Далее отраженный под таким же углом γ свет вторично проходит цилиндр 5, проходит второй поляризатор 7 наклеенный на выходную поверхность цилиндра 5, и так же с помощью линзы 8 и оптического волокна 9 передается на фотоприемник 10.
D
В качестве примера рассмотрим случай, когда цилиндр 5 выполнен из стекла ТФ5 (n=1,755).
Если ток i по соленоиду 6 (фиг. 1) не проходит и магнитное поле отсутствует, а на цилиндр 5 нет механических, термических воздействий, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10 равна:
Если по соленоиду 6 протекает переменный ток
max
i=isinωt частоты сети ω=50 Гц, то
Неизбежные потери света при формировании рабочего пучка (диафрагмирование, виньетирование, поглощение и т.п.) учитываем постоянным конструктивным коэффициентом k.
Таким образом, фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью
и преобразует его в электрический сигнал
=
0
который после усилителя формируется в виде постоянной составляющей U=U и переменной составляющей
Блок формирования сигналов 11 вычисляет отношение
а затем искомый ток i, протекаемый по соленоиду 6 по формуле
где N - число витков соленоида 6;
V и L - постоянная Вердэ и длина цилиндра 5;
М - коэффициент, характеризующий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля соленоида 6.
Измеренная величина тока i индицируется на цифровом табло и транслируется внешним устройствам с помощью интерфейса RS-232C и RS-485.
Заявляемый оптический измеритель переменного тока имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными подобными устройствами.
Во-первых, при малых углах γ зеркальная поверхность активного элемента ячейки Фарадея (цилиндра) не вносит никаких искажений в линейно поляризованный свет. Поэтому заявляемое устройство обладает большой чувствительностью и большим динамическим диапазоном.
Во-вторых, выполнение активного элемента в виде цилиндра и размещение его внутри соленоида, образованного фрагментом проводника ЛЭП, позволяет максимально эффективно использовать магнитное поле, возникающее вокруг фрагмента проводника.
В-третьих, однократное, или четное число раз прохождение поляризованного света в активном элементе повышает чувствительность устройства и его точность измерения переменного тока.
В-четвертых, выполнение активного элемента в виде стеклянного цилиндра с наклеенными поляризаторами позволило достичь компактности конструкции, ее универсальности, жесткости, защиты от внешних воздействий, удобства монтажа.
В-пятых, предлагаемое устройство имеет перспективу еще большей эффективности использования магнитного поля фрагмента проводника ЛЭП, применяя известные приемы использования различных магнитопроводов для концентрации магнитных силовых линий вдоль активного элемента (вдоль пучка света).
Метрологические исследования оптического измерителя тока подтвердили достижение указанного выше технического результата, в том числе для малых величин напряжений (от 0,4 кВ).
Исследования проводились на приборе электроизмерительном эталонном многофункциональном «Энергомонитор-3.1 КМ».
Заявляемое устройство можно использовать не только в сетях высоковольтных ЛЭП, но и в других энергетических установках, где требуется измерять большие переменные токи независимо от величины напряжения и частоты.
Заявленное изобретение соответствует критерию «новизна», так как из доступных источников информации не выявлены технические решения с такими же существенными признаками.
Заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как является неочевидным для специалиста.
Заявленное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», так как может быть получено из известных средств и известными методами.