ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ
OPTICAL AC VOLTAGE METER IN HIGH-VOLTAGE NETWORKS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к поляризационным приборам, в которых используется эффект поворота плоскости поляризации света веществом, находящемся в продольном магнитном поле (эффект Фарадея). Оно может быть использовано в электроэнергетике для измерения переменного тока в высоковольтных сетях.
Для измерения переменного тока в высоковольтных сетях обычно используются электромагнитные трансформаторы тока, представляющие собой первичную обмотку из одного двух витков и вторичную обмотку, состоящую из большого числа витков. Первичная обмотка находится под напряжением сети, а вторичная под нулевым потенциалом земли. Между первичной и вторичной обмотками находится магнитопровод и изоляционный материал, например, из эпоксидного компаунда, масла или элегаза. Главными недостатками традиционных электромагнитных трансформаторов тока являются:
- высокая вероятность электрического пробоя изоляции между обмотками;
- насыщение магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания;
- большой расход меди для изготовления катушек.
Перечисленные недостатки можно устранить, если вместо традиционных трансформаторов тока в высоковольтных сетях использовать оптико-электронные измерители тока, в основу которых положено магнитное вращение плоскости поляризации света (магнитооптический эффект Фарадея) [1]. Эти устройства получили название оптико-электронных трансформаторов тока [2]. Основным узлом подобных устройств является активное прозрачное вещество, например, стекло с большой постоянной Вердэ, помещенное в продольное (относительно распространения света) магнитное поле, на входе и выходе которого установлены поляризационные фильтры. Такой узел иногда называют ячейкой Фарадея. Под действием продольных силовых линий магнитного поля фрагмента проводника высоковольтной линии активное вещество приобретает способность вращать плоскость поляризации света на угол
где: Н - усредненное значение напряженности продольного магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;
V - постоянная Вердэ материала активного элемента;
L - длина активного элемента;
β - угол между направлением света и направлением силовых линий;
N - число витков проводника с током;
i - ток, протекаемый по проводнику;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий соотношение длин, сторон сечения проводника и усреднения напряженности магнитного поля в различных его точках.
Измеряя угол поворота плоскости поляризации а, можно определить величину тока i, протекаемого по проводнику
где N, k, V и L - постоянные величины для конкретной конструкции ячейки Фарадея.
Известно ряд устройств, у которых в качестве активного вещества ячейки Фарадея используют оптическое волокно.
Типичным представителем таких известных устройств является токоизмерительная система по патенту США [3], структурная схема которого показана на фиг. 1. Известное устройство содержит источник света 1 и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, соединитель 3, поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5, представляющий собой катушку из оптического одномодового волокна, надетую на фрагмент проводника высоковольтной линии 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, соединитель 8, многомодовое оптическое волокно 9, фотоприемник 10 и электронный блок преобразования сигналов 11. В процессе прохождения тока i по проводнику 6 вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого совпадают с витками оптического одномодового волокна 5 и, следовательно, совпадают с направлением распространения лучей света. Если предположить, что свет после источника 1 не поляризованный, а линейно поляризованный свет после поляризатора 4 в процессе его распространения по волокну 5 не подвергается преобразованиям при многократном полном внутреннем отражении, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10, можно найти применив векторную алгебру из уравнения
где:  - искомый вектор Стокса;
0
вектор Стокса неполяризованного света источника 1 интенсивностью I;
матрица преобразования света поляризатором 4;
матрица преобразования активного элемента ячейки Фарадея (оптического волокна 5);
матрица преобразования света поляризатором 7.
После перемножения матриц находим первый параметр Стокса, пропорциональный интенсивности света.
По проводнику 6 протекает переменный ток с частотой ω=50 Гц, следовательно, фотоприемник 10 воспринимает свет, изменяющийся по закону.
max
0
=
0
где ω - частота переменного тока, α - максимальный угол поворота плоскости поляризации света, соответствующий моменту максимального тока. Из этого уравнения видно, что в отсутствии тока i, когда α=0, интенсивность света I=0,25I и в спектре сигнала фотоприемника 10 присутствует только постоянная составляющая U=0,25I и отсутствует переменная составляющая частоты сети ω. При протекании переменного тока по проводнику 6 в спектре сигнала фотоприемника 10 появляется переменная составляющая
Блок преобразования сигналов 11 вычисляет отношение , что является мерой угла α, по которому находят искомый ток i в проводнике 6. Известно, 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 5 (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 Δp.
Следовательно, ячейку Фарадея с активным элементом в виде одномодового волокна 5 можно представить матрицей преобразования
где p=1-Δp - степень поляризации света.
После повторного перемножения матриц преобразования элементов схемы 1-5 (фиг. 1) находим
Блок преобразования сигналов 9 определяет отношение
а затем искомый ток i в проводнике 4:
Из уравнения (14) видно, что частичная деполяризация света Δp напрямую влияет на величину угла вращения плоскости поляризации α и, следовательно, на результат измерения тока i. Кроме того, эффект деполяризации уменьшает динамический диапазон измерений.
0
0
Более совершенным и близким аналогом по отношению к предлагаемому оптическому трансформатору тока является магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 [4], структурная схема которого показана на фиг. 2. Преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 содержит источник света 1 (фиг. 2) 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 АР-180°, охватывающих по кругу проводник с током 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, приемное устройство в виде собирающей линзы 8, второго оптического многомодового волокна 9, фотоприемника 10 и блок преобразования сигналов 11. Отличительными особенностями конструкции преобразователя является то, что четыре призмы 5 типа АР-180° расположены последовательно по ходу распространения света выполненных из стекла и образуют замкнутый контур вокруг проводника 6 с током. Для удобства ввода и вывода коллимированого пучка света торцы первой и последней призм дополнены клиньями 12, 13. Между клином 12 и первой призмой 5 вклеен первый поляризатор 4, а между клином 13 и последней призмой 5 вклеен второй поляризатор 7. Плоскость пропускания поляризатора 7 составляет угол ±45° с плоскостью пропускания поляризатора 4. Торец оптического волокна 2 установлен в фокальной плоскости коллиматора 3, а торец второго оптического волокна 9 находится в фокальной плоскости собирающей линзы 8. Блок преобразования сигналов 11 содержит источник питания, линейный усилитель сигнала фотоприемника 10 и схему обработки сигнала. Известный магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 работает следующим образом. Свет от источника 1 (фиг. 2) с помощью многомодового оптического волокна 2 передается в фокальную плоскость коллиматора 3. Далее свет в виде расходящегося пучка падает на линзу 3, после нее становится коллимированным, проходит первый поляризатор 4, становится линейно поляризованным и проходит последовательно призмы 5. Если тока в проводнике 6 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 4. Азимут пропускания второго поляризатора 7 отличается от азимута первого поляризатора 4 на угол ±45°. Поэтому интенсивность света I после поляризатора 7 равна I=0,25I, где I - интенсивность света, падающего на первый поляризатор 4. Весь этот пучок света собирается линзой 8 на торце многомодового оптического волокна 9 и по нему передается на фотоприемник 10.
max
max
Если по проводнику 6 протекает переменный ток i=isinωt, где i - амплитуда тока, ω=50 Гц - частота сети, то вокруг него создается переменное магнитное поле, магнитные силовые линии которого пронизывают призмы 5 и продольная составляющая этих силовых линий создает эффект поворота плоскости поляризации света на угол
=
Фотоприемник 10 и предварительный усилитель блока 11 работают в линейном режиме. Поэтому кроме постоянной составляющей U в спектре сигнала присутствует переменная составляющая
которая пропорциональна величине переменного тока i в проводнике 6. Блок преобразования сигналов вычисляет отношение
угол поворота плоскости поляризации α и искомый ток i, протекаемый по проводнику 6. По сравнению с рассмотренной выше токоизмерительной системой (фиг. 1) [3], у которой в качестве активного элемента ячейки Фарадея используется оптическое волокно, в данном устройстве (фиг. 2) применение четырех призм типа АР-180° позволило сохранить степень поляризации света в процессе его прохождения через призмы и тем самым повысить точность и динамический диапазон преобразования тока. Призмы 5 размещены так, что главное сечение последующей призмы находится под углом 90° к главному сечению предыдущей призмы. Поэтому разность фаз δ между компонентами поляризованного света, полученная в процессе полного внутреннего отражения в предыдущей призме
где α=45°, а n - показатель преломления призм 5, полностью компенсируется в результате полного внутреннего отражения в последующей призме. Однако, известный магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 также имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, в данном известном устройстве не эффективно используется магнитное поле возникающее вокруг проводника 6 с током i. Из чертежа (фиг. 2) видно, что в каждой из призм 5 свет распространяется по прямой составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии вокруг проводника 6 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 5 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. Главное, что у данной конструкции устройства нет никаких перспектив увеличить эту эффективность.
Во-вторых, на базе данного известного преобразователя сложно создать универсальное компактное устройство, например для открытых высоковольтных подстанций. Показанная на фиг. 2 конструкция устройства хрупкая и для использования его на открытых высоковольтных подстанциях требует существенной доработки для обеспечения жестокости, защиты от осадков и воздействия температур от -35 до +60°С (ГОСТ 12997 (Р52931), группа С4.
Предлагается новый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях свободный от упомянутых недостатков.
Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях 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. Активный элемент ячейки Фарадея выполнен из стекла с высоким значением постоянной Вердэ в виде четырехугольной стеклянной призмы и находится в продольном по отношению к направлению света магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током высоковольтной сети. Четырехугольная стеклянная призма выполнена высотой h, одна пара боковых граней которой имеет ширину не менее диаметра D коллимированного пучка света после коллиматора, а противоположные боковые грани имеют ширину не менее 3D. Первое основание призмы, на которое падает свет от коллиматора, полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольника, ширина которого равна D. Другое основание четырехугольной призмы разделено на три прямоугольные зоны, по обе стороны от центральной прямоугольной зоны содержатся две полированные поверхности с зеркальными покрытиями, составляющие с плоскостью центральной зоны углы
где D - диаметр пучка света, a h - высота четырехугольной призмы.
Как вариант исполнения, поляризаторы выполнены в виде поляроидных пленок и наклеены на первое основание по обе стороны его центральной зеркальной зоны, причем так, что плоскость пропускания первого поляризатора параллельна одной из боковых граней четырехугольной призмы активного элемента ячейки Фарадея.
Между коллимирующей линзой и первым поляризатором, а также между вторым поляризатором и собирающей линзой установлены призмы АР-180°.
На фиг. 1 показана структурная схема известной токоизмерительной системы по патенту США №3605013, G01R 15/24 [3].
На фиг. 2 показана структурная схема известного магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока и импульсного тока МПР-МЭ-5 [4].
На фиг. 3 показана структурная схема предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях.
На фиг. 4 показана конструкция активного элемента ячейки Фарадея.
На фиг. 5 показана конструкция монолитного унифицированного блока ячейки Фарадея в варианте использования призм АР-180°.
Предлагаемый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях (фиг. 3) содержит источник света 1, например, в виде высокоинтенсивного светодиода и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, торец которого находится в фокальной плоскости установлено за ним коллимирующей 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 (фиг. 4) высотой h из стекла с высокой постоянной Вердэ, например из стекла марки ТФ5. Одна пара боковых граней призмы 5 имеет ширину не менее диаметра D коллимированного пучка света после линзы 3, например, ширину C=D+2 мм. Противоположные боковые грани имеют ширину не менее 3D, например Е=3D+2 мм. 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. 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.
Все оптические элементы показанной на фиг. 3 схемы закреплены в монолитном корпусе 18 из диэлектрического материала.
Как вариант исполнения предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях с целью уменьшения потерь света и повышения точности измерения тока поляризаторы 4 и 7 (фиг. 5) наклеены на первое основание 12 четырехугольной призмы 5 по обе стороны его центральной зоны 13, причем так, что плоскость пропускания первого поляризатора 4 параллельна одной из боковых граней четырехугольной призмы 5, то есть, плоскость пропускания поляризатора 4 параллельна либо перпендикулярна плоскости падения света на зеркальные поверхности 15, 17 призмы 5. Для достижения компактности и универсальности применения оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях различных классов между коллимирующей линзой 3 (фиг. 5) и первым поляризатором 4, а также между вторым поляризатором 7 и собирающей линзой 8 установлены призмы 19, 20 типа АР-180°. Оптические волокна 2, 9 коллиматорная 3 и собирающая 8 линзы, призмы 19, 20 АР-180°, поляризаторы 4, 7 и четырехугольная стеклянная призма 5 закреплены в монолитном корпусе 18 (фиг. 5) из диэлектрического материала, например, из стеклопластика и имеет форму цилиндра.
Работу предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях можно проиллюстрировать на примере структурной схемы, показанной на фиг. 3, когда фрагмент проводника высоковольтной сети 6 выполнен в виде плоской шины. Свет от источника 1 по многомодовому 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 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого ψ параллелен одной из боковых граней, например широкой грани, т.е. ψ=0 по отношению плоскости падения света на поверхности 15, 13 и 17 призмы 5. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную четырехугольную призму 5, и под углом γ отражается от зеркальной поверхности 15, второй раз проходит призму 5, под таким же углом γ отражения от зеркальной поверхности 13, третий раз проходит призму 5, также под углом γ отражается от зеркальной поверхности 17, проходит в четвертый раз призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.
1
2
В качестве примера рассмотрим случай, когда призма 5 выполнена из стекла ТФ5 (n=1,755), а зеркальным покрытием на поверхностях 15, 17 призмы 5 является например, напыленный алюминий, обладающий показателем преломления n=0,93 и показателем поглощения . Тогда отражательную систему стекло-алюминий можно представить комплексным показателем преломления [4]
2
1
где n=n/n=0,93/1,75=0,5299 - относительный показатель преломления; а по воздействию на поляризованный свет матрицей преобразования фазовой пластинки и ротатора [5]
где: R=0,91 - коэффициент отражения света границей стекло-алюминий;
- азимут преимущественной поляризации света;
⎪⎪
⊥
⎥R⎢ и ⎥R⎢ - модули комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света;
δ - разность фаз между составляющими поляризованного света.
⊥
⎪⎪
В данном примере плоскость поляризации света падающего на границу стекло-алюминий совпадает с плоскостью падения (параллельна широкой грани призмы 5), то ⎥R⎢=0, а ⎥R⎢=1. После подстановок в уравнения находим новый вид матрицы преобразования
которая характеризует границу стекло-алюминий как изотропную систему с коэффициентом отражения R.
Если ток i по шине 6 (фиг. 3) не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 5 нет механических, термических воздействий, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10 равна первому параметру Стокса, который находится из уравнения
После перемножения матриц находим
max
Если по шине 6 протекает переменный ток i=isinωt частоты сети ω=50 Гц, то призму 5 можно представить матрицей ротатора
max
max
где α=HVLcosβ - максимальное значение угла поворота плоскости поляризации. В этом случае после перемножения матриц находим
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 проводнику 5, по формуле
где N - число витков соленоида 6;
К и L - постоянная Вердэ и длина пути света в призме 5;
М - коэффициент, характеризующий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля шины 6. Измеренная величина тока i индицируется на цифровом табло блока преобразования сигналов 11 и транслируется внешним устройствам с помощью интерфейса RS-232C либо RS-485. Предлагаемый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях имеет ряд преимуществ по сравнению с известными подобными устройствами.
Во-первых, предлагаемый активный элемент ячейки Фарадея из оптического стекла в форме четырехугольной призмы свободен от искажений состояния поляризации света, поскольку в промежутке между поляризаторами нет условий для изменения разности фаз между параллельной и перпендикулярной к плоскости падения составляющими поляризованного света. Таким образом, в отличие от известных устройств в активном элементе не происходит явление деполяризации и не происходит сужения динамического диапазона и снижения точности измерения тока в высоковольтной сети.
Во-вторых, четырехкратное прохождение линейно поляризованного света в активном элементе ячейки Фарадея (в четырехугольной призме) повышает чувствительность и его точность измерения переменного тока в высоковольтной сети.
В-третьих, совмещение плоскости поляризации первого поляризатора с плоскостью падения света на зеркальные поверхности четырехгранной прямоугольной призмы активного элемента ячейки Фарадея обеспечивает отсутствие одной из составляющих поляризованного света, что исключает дополнительные погрешности измерения тока в высоковольтной сети.
В-четвертых, установка призм типа АР-180° до и после поляризаторов и закрепление всех элементов ячейки Фарадея в едином блоке из стеклопластика позволило достичь компактности, жесткости и герметичности конструкции, что является существенным при эксплуатации оптического измерителя переменного тока в суровых климатических условиях.
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. Патент США №3605013, G01R 15/246У.
4. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5,000 «НПП МарсЭнерго» (приборы для электроэнергетики), www.mars-energo.ru
5. Пеньковский А.И. Измерение поляризационных характеристик света при отражении от границы раздела двух изотропных сред, «ОМП», №5, 1986, с. 9-12.