УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим приборам и устройствам, предназначенным для измерения средних и высоких значений тока.
Устройство для измерения переменных токов высоковольтной линии электропередачи (см. патент RU 2644574, МПК H01F 38/28, опубл. 13.02.2018), содержащее первичную и вторичную токопроводящие обмотки. Первичная обмотка выполнена в виде согнутой по окружности пластины с Г-образными ответвлениями на концах, направленными в противоположные стороны. Концы пластины загнуты внутрь с образованием зазора между параллельными друг другу Г-образными ответвлениями. На первичную обмотку намотана вторичная обмотка из проволоки. Конец первичной обмотки соединен с концом вторичной обмотки. Концы первичной обмотки вмонтированы в рассечку провода линии электропередачи, а концы вторичной обмотки соединены с измерительным устройством.
Известное устройство не предназначено для измерения высоких импульсных разрядных токов.
Известно устройство для дистанционного измерения тока (см. патент RU 146741, МПК G01R 19/25, опубл. 20.10.2014), содержащее источник питания, формирователи тактовых импульсов и импульсов запуска, подключенные к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, аналоговый вход которого предназначен для подключения к датчику измеряемой величины, а цифровой выход подключен к оптическому передатчику, предназначенному для оптоволоконной связи с модулем обработки данных. Цифровой выход аналого-цифрового преобразователя подключен к оптическому передатчику через дополнительно введенный широтно-импульсный манипулятор, выполненный с возможностью преобразования двоичных сигналов в импульсы двух неравных длительностей, сумма которых меньше периода тактовых импульсов.
К недостаткам известного устройства относится сложность конструкции, необходимость использования оптико-волоконной линии, которые являются препятствием к широкому его применению.
Известно устройство для измерения тока для высоковольтных линий (см. патент RU 117014, МПК G02F 19/00, опубл. 10.06.2012), содержащий ферритовый контур, окружающий токоведущий провод, с катушкой медного провода, имеющей отвод на десятой части витков. Выходные концы катушки и отвода присоединены к преобразователям напряжения в оптические импульсы инфракрасного диапазона с частотой следования, пропорциональной силе тока в токоведущем проводе. На расстоянии (5-10) м находятся фотоприемные блоки с фокусирующими линзами, селективными фильтрами и модулями преобразования оптических импульсов в электрические с одновременным усилением и инверсией частоты в цифровой двоичный код, причем преобразователи в оптические импульсы, подсоединенные к концам катушки и к отводу, имеют разные длины волн излучения и частоты следования импульсов.
Известное устройство обеспечивает полную изоляцию высоковольтного напряжения от низковольтной части аппаратуры, но достигается это значительным усложнением конструкции.
Известно оптико-электронное устройство для измерения тока (см. патент RU 2365922, МПК G01R 19/00, 27.08.2009), содержащий первичный преобразователь, кодирующий блок, оптический канал связи между стороной высокого напряжения и потенциалом земли, приемный блок и блок питания. Для питания кодирующего блока, находящегося на стороне высокого напряжения, применен канал передачи энергии со стороны потенциала земли, состоящий из батареи светоизлучателей, силовых оптических каналов, батареи фотоприемников и стабилизатора напряжения.
Известное устройство позволяет гальванически развязать цепи высокого напряжения от потенциала земли. Недостатком известного устройства является значительное усложнение его конструкции.
Известно устройство для измерения тока (см. патент RU 2608335, МПК G01R 19/00, опубл. 17.01.2017), содержащее первичный преобразователь, кодирующий блок, канал связи между стороной высокого напряжения и потенциалом земли, приемный блок и блок питания в виде канала передачи энергии со стороны потенциала земли. Блок питания состоит из батареи светоизлучателей, силовых оптических каналов, батареи фотоприемников и стабилизатора напряжения. В качестве первичного преобразователя для тока используется шунт, включенный в рассечку линии электропередачи. Кодирующий блок выполнен в виде двух аналого-цифровых преобразователей, вход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к шунту, вход второго аналого-цифрового преобразователя подключен к низкоомному резистору. Общей точкой подключения аналого-цифровых преобразователей является точка соединения шунта и низкоомного резистора. Выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к входам преобразователей параллельного цифрового кода в последовательный, к которым подключены излучающие светодиоды, подающие световые сигналы в волоконно-оптические каналы связи, другие их концы подключены к соответствующим приемным блокам.
Известное устройство позволяет уменьшить погрешности измеряемых величин тока, но достигается это значительным усложнением конструкции устройства.
Известно устройство для измерения тока (см. патент RU 2437106, МПК G01R 15/24, G01R 19/25, опубл. 20.12.2011). Устройство состоит из электронного и оптического модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, последовательно расположенные поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур. Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, фотодетектор и генератор сигнала, связанный с модулятором. Модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида. Волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии. Волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением.
Известное устройство позволяет снизить погрешности измерения тока из-за внешних температурных и механических воздействий. Недостатком известного устройства является сложная термостабилизация с учетом большой длины магниточувствительного волокна.
Известно устройство для измерения тока (см. патент US 9588150, МПК G01R 15/24, G01R 19/00, опубл. 07.03.2017), включающее по меньшей мере один вход света и один выход света, оптическое волокно, Фарадеевский вращатель в виде магниточувствительного оптического волокна, первую и вторую четвертьволновые пластины, поляризационный сепаратор, источник света и электрическую схему обработки сигналов, включающую фотоэлектрический преобразователь. Оптическое волокно имеет двойное лучепреломление, в которое входят два пучка света, имеющих различное вращение, и из которого выходят пучки света, поляризованные по кругу. Разность фаз двух линейно поляризованных пучков света компенсируется в замкнутом световом контуре между двумя четвертьволновыми пластинами. Фарадеевский угол вращения, когда Фарадеевский вращатель магнитно насыщается, задается как 22,5+α°. В этом случае диапазон колебаний для относительной погрешности в измеряемом значении измеряемого тока устанавливался в пределах ±0,5%. Кристаллические оси на оптической поверхности двух четвертьволновых пластин устанавливают перпендикулярно или в одном и том же направлении.
Недостатками известного устройства является его усложненная конструкция.
Известно устройство для измерения тока (см. патент US 8957667, МПК G01R 19/00, опубл. 17.02.2015), содержащее по меньшей мере один вход и выход для света, оптическое волокно для датчика, Фарадеевский вращатель в виде магниточувствительного оптического волокна, первую и вторую четвертьволновые пластины, поляризационный разделитель, источник света и схему обработки сигналов, содержащую фотоэлектрический преобразователь. Оптическое волокно для датчика обладает эффектом двулучепреломления и содержит один конец, в который вводятся два циркулярно-поляризованных световых пучка, имеющие различные направления вращения, и другой конец, который отражает введенные циркулярно-поляризованные световые пучки. Кроме того, компенсируется разность фаз двух линейно поляризованных световых пучков в замкнутом световом контуре между двумя четвертьволновыми пластинами. Фарадеевский угол вращения, когда Фарадеевский вращатель магнитно насыщается, задается как 22,5+α°, чтобы диапазон колебаний для относительной погрешности в измеряемом значении измеряемого тока устанавливался в пределах ±0,5%. Кроме того, кристаллические оси на оптических гранях двух четвертьволновых пластин устанавливаются как перпендикулярные или устанавливаются в одном и том же направлении.
Недостатками известного устройства является достаточно сложная оптическая схема.
Известно устройство для измерения тока (см. патент RU 61042, МПК G01R 29/00, опубл. 10.02.2007), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Известное устройство-прототип содержит источник оптического излучения, соединенный с поляризатором посредством волоконного световода, магнитооптическую ячейку Фарадея в виде оптически активного кристалла, анализатор и фотоэлектрический преобразователь. Последовательно с фотоэлектрическим преобразователем соединены усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и жидкокристаллический индикатор.
Известное устройство имеет расширенные функциональные возможности, однако устройство непосредственно измеряет не электрический ток, а измеряет величину проекции напряженности магнитного поля, направленного параллельно распространению световой волны внутри магнитооптической ячейки Фарадея, по которой устройство градуируют путем проведения расчетов, учитывающих геометрию проводника, по которому протекает измеряемый ток, и расположение проводника относительно магнитооптической ячейки Фарадея. Однако распределение напряженности магнитного поля вокруг магнитооптической ячейки Фарадея может быть существенно неоднородным в зависимости от геометрии проводника, окружающей проводник среды и внешних магнитных влияний, что негативно влияет на точность измерений устройством электрического тока.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка устройства для измерения тока, в котором создается однородное распределение напряженности магнитного поля вокруг магнитооптической ячейки Фарадея, повышающее точность измерений.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения тока содержит оптический датчик тока, включающий источник оптического излучения, поляризатор, магнитооптическую ячейку Фарадея в виде оптически активного кристалла, анализатор и фотоэлектрический преобразователь. Последовательно с фотоэлектрическим преобразователем соединены усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и жидкокристаллический индикатор. Новым в устройстве для измерения тока является то, что устройство включает металлический стержень диаметром (10-12) мм и длиной не менее 100 мм, металлический стержень, источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор и фотоэлектрический преобразователь установлены на диэлектрическом основании, при этом металлический стержень установлен вертикально, и его ось отстоит от центра оптически активного кристалла на (18-22) мм.
12
20
12
20
Оптически активный кристалл может быть выполнен на основе кристалла со структурой силленита, например, из BiGeO или из BiSiO.
Металлический стержень может быть выполнен из меди или алюминия.
Фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен в виде фотодиода.
Источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор и фотоприемник могут быть заключены в диэлектрический корпус, выполненный, например из пластмассы.
Диэлектрическое основание может быть выполнено из оргстекла или из пластмассы, или из стеклотекстолита.
Выполнение металлического стержня диаметром (10-12) мм обусловлено тем, что при диаметре менее 10 мм стержень при больших токах недопустимо перегревается, а при диаметре более 12 мм снижается точность измерений.
Выполнение металлического стержня длиной менее 100 мм приводит к значительному снижению точности измерений из-за неоднородности магнитного поля, создаваемого проходящим через стержень током.
При расстоянии между осью металлического стержня и центром оптически активного кристалла менее 18 мм значительно снижается точность измерений.
При расстоянии между металлическим стержнем и центром оптически активного кристалла более 22 мм значительно снижается чувствительность датчика.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведена структурная схема настоящего устройства для измерения тока;
на фиг. 2 показан в продольном разрезе оптический датчик тока настоящего устройства для измерения тока;
на фиг. 3 приведен вид сверху на оптический датчик тока настоящего устройства для измерения тока в разрезе по А-А, приведенному на фиг. 2.
12
20
12
20
0
0
Настоящее устройство для измерения тока (см. фиг. 1) содержит датчик 1 тока, с которым последовательно соединены усилитель (У) 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микроконтроллер (К) 4 и жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 5. Датчик 1 тока (см. фиг. 2-фиг. 3) включает установленные на диэлектрическом основании 6, выполненном, например, из оргстекла, стеклотекстолита, пластмассы, источник оптического излучения (ИОИ) 7, выполненный, например, в виде лазера или лазерного диода, поляризатор (П) 8, оптически активный кристалл (OAK) 9, выполненный, например, из BiGeO или из BiSiO, анализатор (А) 10, фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 11, например, в виде фотодиода, подключенного в фотогальваническом режиме, и металлический стержень (МС) 12, выполненный, например, из меди или алюминия. ИОИ 7, П 8, OAK 9, А 10 и ФЭП 11, составляющие оптическую часть 13 датчика 1 помещены в корпус 14 для защиты от воздействия внешней среды. МС 12, закрепленный на диэлектрическом основании 6, снабжен на торцах цилиндрическими резьбовыми выступами 15, 16 и гайками 17 из немагнитного материла. Резьбовой выступ 15 с помощью гайки 17 подключают к заземлению, а резьбовой выступ 16 с помощью гайки 17 соединяют с нижней точкой ограничителя перенапряжений (ОПН), подключаемого, в свою очередь, к высоковольтной линии (не показано). МС 12 диаметром (10-12) мм и длиной не менее 100 мм расположен на расстоянии (18-22) мм от центра OAK 9. Длина L OAK 9 и угол α между оптическими осями П 8 и А 10 выбраны так, что отклонение от температуры величины константы Верде ΔV/Δt будет компенсироваться отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления ΔΘ/Δt при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.
Устройство для измерения тока работает следующим образом.
МС 7 отградуированного датчика 1 включают между точкой нижнего фланца ОПН и точкой заземления. Включают ИОИ 2, например, видимого и ближнего инфракрасного диапазона, излучение которого при прохождении через П 8 линейно поляризуется. При прохождении тока по МС 12 линейно поляризованное излучение при прохождении через OAK 9 испытывает поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея и собственной оптической активности θа OAK 9. Выходящее из А10 излучение регистрирует ФЭП 11, величина тока которого определяет величину тока, проходящего через МС 12. Электрический сигнал из ФЭП 11 поступает в У 2. Усиленный в У 2 аналоговый сигнал поступает в АЦП 3, где преобразуется в цифровой код, который может храниться и обрабатываться в К 4 и представляется на ЖКИ 5 результатом измерения величины электрического тока.
3
2
3
-7
Пример. Был изготовлен опытный образец устройства для измерения разрядных токов через ОПН в диапазоне токов 10 кА-100 кА. Конструктивно устройство устанавливается в монтажном шкафу. Габариты датчика без стержня составляли (135×56×65) мм. Оптически активный кристалл был выполнен из германата висмута (BGO). Выбор длины кристалла 4,7 мм с апертурой (5×5) мм позволил упростить сборку кристалла BGO с поляризатором и анализатором размерами (5×5×5) мм без дополнительной юстировки системы поляризатор-анализатор за счет выбора рабочей точки при нулевом магнитном поле внутри кристалла. Компоненты электрической схемы были выбраны таким образом, чтобы минимизировать мощность, потребляемую устройством. Коэффициент передачи усилителя составлял около 10. Функции АЦП и цифровой обработки измерительных сигналов выполняет малопотребляющий микроконтроллер типа STM32L476RCT6 фирмы ST Microelectronics. Процессор имеет 32-разрядное ядро Cortex-M4, встроенную оперативную память 128 кбайт и флеш-память объемом 1024 кбайт. Питание всех компонентов осуществляется от линейного стабилизатора типа NCP1117ST33 фирмы On Semiconductors. Быстродействие устройства составляет до 10 с, точность измерений составляет менее 5%.
Настоящее устройство для измерения тока отличается от устройства-прототипа увеличенной точностью.