ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТОКА

Полезная модель относится к области электрических измерений и может быть использована в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.
Традиционно замеры электрических величин в распределительных устройствах промышленных предприятий, включая электрические станции, выполняются с помощью электромагнитных трансформаторов тока, стоимость которых составляет значительную долю стоимости всего распределительного устройства. Принципиально другой перспективный подход, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, реализуется в волоконно-оптических трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.
Одно из возможных применений волоконно-оптических трансформаторов тока - поверка электромагнитных трансформаторов тока, используемых в качестве первичных измерительных преобразователей в информационно-измерительных комплексах для коммерческого учета на оптовом рынке электроэнергии (АИИС КУЭ). Наиболее сложную организационно-техническую задачу представляет поверка и замена генераторных шинных трансформаторов тока, установленных в пофазно-экранированных токопроводах, соединенных жестко по всей длине сварным швом или болтовыми соединениями. Эта проблема может быть решена путем использования высокоточных (с токовой погрешностью измерения менее 0,1%) волоконно-оптических трансформаторов тока с размыкаемой оптической измерительной петлей, конструктивные возможности которых позволяют произвольным образом располагать измерительную петлю без демонтажа и разрыва шинопровода.
Известен волоконно-оптический чувствительный элемент в виде температурно-стабилизированной сенсорной катушки для датчика тока (см. патент РФ №2358268, МПК G01R 1/00, приоритет 02.09.2004), содержащий расположенное в капилляре с антифрикционным средством освобожденное от своей защитной оболочки и термообработанное магнитооптическое сенсорное волокно.
Существенным недостатком данного устройства являются ограниченная длина магнитооптического чувствительного элемента из оптического волокна и, как следствие, невозможность точного измерения токов в проводниках большого сечения, а также сложность его монтажа в условиях действующего производства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока (см. Губин В.П., Исаев В.А., Моршнев С.К. и др. Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока - Квантовая электроника, 2006 г., т.36, №3, с.287-291.), выполненный в виде по крайней мере одного охватывающего проводник с измеряемым током витка оптического волокна с отражающим зеркалом на конце.
Существенным недостатком данного устройства является невысокая точность и стабильность измерений в условиях реальной эксплуатации, в частности при установке волоконно-оптического чувствительного элемента на токопроводах (выводах), температура которых заметно изменяется в процессе работы и может превышать 60°С (до 120°С). При использовании данного устройства измерительный сигнал относительно сильно меняется с температурой (обычно несколько процентов на 100°С), что недопустимо снижает точность измерений.
-4
Хотя относительное изменение постоянной Верде кварцевого волокна от температуры мало и составляет ~10/°К, но при значительном диапазоне рабочих температур (например, около 50°К) относительное изменение константы Верде и, соответственно, измерительного сигнала составит ~0,5%, что уже недопустимо при измерениях. Наличие наведенного, вызванного воздействием внешних факторов (изгибы, термонапряжения) линейного двойного лучепреломления в оптическом волокне также существенно влияет на точность измерений. При использовании закрученного оптического волокна для уменьшения влияния двойного лучепреломления остается проблема обеспечения температурной стабильности при измерениях, поскольку вынужденное кручением циркулярное двойное лучепреломление в кварцевом волокне также достаточно чувствительно к температуре.
Нами впервые было отмечено, что к заметному искажению результатов измерений при использовании протяженного (10 м и более) волоконно-оптического чувствительного элемента ведет не столько изменение температуры оптического волокна как таковой в процессе измерений, а изменение градиента температуры по длине оптического волокна. Если влияние изменения температуры можно учесть, например, измеряя температуру окружающей среды, то изменение градиента температуры может привести к неконтролируемому варьированию погрешности измерения электрического тока в диапазоне от долей до единиц процентов. Было показано, что для снижения погрешности измерений в данном случае необходимо выравнивать и стабилизировать погонную температуру волоконно-оптического чувствительного элемента по всей его длине.
Нами предложен волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока, позволяющий с высокой точностью, стабильностью и электрически безопасно проводить измерения в реальных условиях эксплуатации при значительном и неоднородном изменении температуры в зоне его расположения.
Такой технический эффект достигнут нами, когда в волоконно-оптическом чувствительном элементе измерительного преобразователя тока, выполненном в виде по крайней мере одного охватывающего проводник с измеряемым током витка оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, оптическое волокно размещено в трубке из изоляционного материала, оснащенной устройством для прокачки токонепроводящего теплоносителя и устройством измерения его температуры. Подходы к стабилизации погонной температуры волокна известны.
В зависимости от требуемого класса точности измерений выбирают одномодовое оптическое волокно либо с малым внутренним двойным лучепреломлением, либо с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным. Подходы к выбору конструкции оптического волокна известны.
Оптическое волокно может быть выполнено с защитным полимерным, в том числе пористым покрытием или использоваться без него.
Центрировав оптическое волокно в трубке, мы достигнем лучшей температурной стабильности измерений (см. п.2 Формулы). Центрировка оптического волокна в трубке выполняется, например, с помощью шайб с продольными каналами для прокачки теплоносителя или спирали из изоляционных материалов.
Подходы к созданию устройств прокачки теплоносителя через трубку, измерения и стабилизации его температуры, а также центрирования оптического волокна известны.
В качестве токонепроводящего теплоносителя может быть использован газ, например, воздух или жидкий диэлектрик. Прокачка теплоносителя может быть осуществлена по замкнутому контуру, что позволит снизить его расход. Усредненная температура оптического волокна электрически безопасно определяется по температуре теплоносителя на выходе из трубки с волокном. Для ее измерения может быть установлен, например, оптико-волоконный термометр.
На фиг.1 изображен волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока в виде одного витка оптического волокна, где оптическое волокно 1 с отражающим зеркалом 2 на конце, проводник 3 с измеряемым током, трубка 4 из изоляционного материала, устройство 5 для прокачки токонепроводящего теплоносителя 7 (воздуха) и устройство 6 измерения его температуры, а также изоляционные шайбы 8;
→ - направление прокачки теплоносителя.
Сходным образом может быть выполнен волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока в виде произвольного числа витков оптического волокна, на конце которого установлено отражающее зеркало.
На фиг.2 представлена схема измерительного преобразователя тока на основе цельноволоконного низкокогерентного линейного интерферометра Саньяка с заявленным волоконно-оптическим чувствительным элементом. На схеме показаны источник 9 света, направленный ответвитель 10, фотодетектор 11, поляризатор 12, модулятор 13 двулучепреломления, волоконная линия 14, четвертьволновая пластинка 15, фазовый детектор 16, опорный генератор 17, аналого-цифровой преобразователь 18 (АЦП) и компьютер 19, а также виток оптического волокна 1 с отражающим зеркалом 2 на конце, проводник 3 с измеряемым током, трубка 4 из изоляционного материала, устройство 5 для прокачки токонепроводящего теплоносителя и устройство 6 измерения его температуры.
Предложенный волоконно-оптический чувствительный элемент может быть использован в измерительных преобразователях тока и в другой конфигурации. Например, в волоконно-оптическом измерительном преобразователе тока поляриметрической конфигурации [1], а также в волоконно-оптическом измерительном преобразователе тока поляриметрической конфигурации с ячейкой Фарадея [2].
Работу волоконно-оптического чувствительного элемента опишем по фиг.1. Измеряемый электрический ток I создает вокруг проводника 3 магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света через находящийся в этом магнитном поле виток оптического волокна 1 в прямом и, после отражения от зеркала 2, обратном направлении происходит вращение плоскости поляризации световой волны на угол α, связанный соотношением
,
где V - константа Верде материала;
l
Н - составляющая магнитного поля вдоль направления l распространения света;
dl - элемент замкнутого контура l.
Угол поворота плоскости поляризации световой волны пропорционально зависит от постоянной Верде материала оптического волокна. Поэтому относительное изменение константы Верде при большом диапазоне рабочих температур ведет к пропорциональному изменению угла поворота плоскости поляризации световой волны и, как следствие, к заметному увеличению погрешности измерений. Кроме того на точность измерений существенно влияет наличие наведенного, вызванного воздействием внешних факторов (изгибы, термонапряжения) линейного двойного лучепреломления в оптическом волокне, что ведет к изменению поляризационного состояния световой волны - преобразованию линейной поляризации света в эллиптическую. В итоге происходит смещение «рабочей точки» и чувствительность измерительного преобразователя тока становится нестабильной, сильно зависящей от температурных условий измерения.
Поместив оптическое волокно 1 в трубку 4 из изолирующего материала, оснащенную устройствами 5 и 6 для прокачки токонепроводящего теплоносителя (воздуха) и измерения его температуры, а также центрировав оптическое волокно 2 в трубке 4 с помощью изоляционных шайб 8 с продольными каналами и обеспечив его нахождение в свободном состоянии, мы выровняем температуру оптического волокна 1 по всей его длине, снизим термомеханические напряжения в волокне 1, достигнем лучшей температурной стабильности измерений. При этом для повышения точности измерений остаточная температурная зависимость может быть скорректирована при измерении температуры теплоносителя, путем внесения поправочного коэффициента при обработке измерительного сигнала. Подходы к решению этой задачи известны.
F
Рассмотрим по схеме на фиг.2 принцип работы волоконно-оптического измерительного преобразователя тока. Оптическое излучение от источника 9 света последовательно проходит через направленный ответвитель 10, волоконный поляризатор 12 и поступает на вход волоконного модулятора 13 двулучепреломления, возбуждаемого опорным генератором 17. Поскольку ось пропускания поляризатора 12 ориентирована под углом 45° к осям двулучепреломления волокна модулятора 13, то в дальнейшем излучение распространяется через неизменяющую поляризацию волоконную соединительную линию 14 задержки в виде двух ортогональных линейно поляризованных световых волн (моды х и у) с равными интенсивностями. После прохождения изготовленной из отрезка оптического волокна четвертьволновой пластинки 15, оси которой ориентированы под углом 45° к осям соединительной линии 14, две ортогональные линейно поляризованные световые волны преобразуются в моды с левой и правой круговой поляризацией. Циркулярно поляризованные световые волны распространяются по оптическому волокну 1 волоконно-оптического чувствительного элемента в прямом а, отразившись от зеркала 2, обратном направлении и, в результате воздействия магнитного поля вокруг проводника 3 с током, накапливают невзаимный фазовый сдвиг φ, пропорциональный измеряемому току I
F
φ=4VNI,
где V - константа Верде SPUN - волокна;
N - число витков волокна вокруг проводника с измеряемым током.
F
F
При отражении от зеркала 2 круговая поляризация меняется на противоположно направленную и при обратном прохождении четвертьволновой пластинки 15 циркулярно поляризованные моды вновь преобразуются в линейные, причем х-мода переходит в у-моду и наоборот. В результате, в идеальном варианте все фазовые сдвиги, кроме φ, должны быть скомпенсированы и интенсивность света, падающего на фотодетектор 11 будет зависеть только от фазового сдвига φ.
Напряжение с фазового детектора 16, настроенного на выделение сигнала, пропорционального частоте опорного генератора 17, оцифровывается АЦП 18 и регистрируется компьютером 19.
Всякое отклонение от чисто циркулярной поляризации, связанное с температурно-зависимым остаточным двулучепреломлением в волоконно-оптическом чувствительном элементе, ведет к уменьшению магнитооптической чувствительности интерферометра и повышению погрешности измерений. Стабилизируя с помощью устройств 4, 5 и 6 температуру оптического волокна 1 магнитооптического чувствительного элемента по всей его длине и внося поправочный температурный коэффициент при обработке измерительного сигнала в компьютере 19, мы исключаем зависимость токовой чувствительности измерительного преобразователя тока от температуры.
Пример конкретного исполнения
Был изготовлен экспериментальный образец заявленного устройства для измерения переменного электрического тока, в котором в качестве магнитооптического чувствительного элемента было выбрано SPUN - волокно длиной 10 м. Выходной конец волокна заканчивался перпендикулярным сколом, выполняющим роль френелевского зеркала. Источником оптического излучения служил волоконный излучатель с рабочей длиной волны λ=1550 нм. Модулятор двулучепреломления был выполнен из волоконного световода типа PANDA, намотанного на пьезоцилиндр диаметром 30 мм, частота возбуждения модулятора 40 кГц. Волоконная соединительная линия длиной до 900 м и фазовая пластинка были также изготовлены из оптического волокна PANDA, сохраняющего состояния поляризации излучения.
Интенсивность светового сигнала измерялась фотодиодом, оцифровывалась с помощью платы АЦП, обрабатывалось на компьютере и выводилось на виртуальный самописец.
С использованием экспериментального образца проводились измерения переменного электрического тока в диапазоне от 300 до 30000 А при четырех витках SPUN - волокна вокруг проводников с измеряемым током. В процессе измерений изменялась температура SPUN - волокна от +5°С до +65°С, при этом наблюдалось изменение погрешности измерений ~0,5%/30°С, что соответствует классу точности датчика тока 1,0.
Для компенсации зависимости токовой чувствительности от температуры, связанной с остаточным двулучепреломлением и температурной зависимостью постоянной Верде, SPUN - волокно было введено в гофрированную трубку из полиамида наружным диаметром 16 мм. Через трубку пропускался воздух от компрессора низкого давления, температура которого стабилизировалась в диапазоне 25±2°С. Температура SPUN - волокна электрически безопасно измерялась оптико-волоконным термометром, установленным на выходе трубки вдали от токоведущих частей. Данные термометра использовались для корректировки показаний измерительного преобразователя тока. В этом случае при изменении температуры в зоне расположения волоконно-оптического чувствительного элемента от +5°С до +65°С погрешность измерений не превышала ±0,1%, т.е. температурной зависимости выходного сигнала практически не наблюдалось.
Выполненные измерения показали возможность определения значения измеряемого переменного электрического тока с относительной погрешностью не хуже ±0,1%.
Таким образом, предложенный волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока позволяет повысить точность и стабильность измерений в реальных условиях эксплуатации при значительном изменении погонной температуры оптического волокна в процессе измерений. Устройство электрически безопасно, имеет высокую помехоустойчивость и по своим точностным и функциональным характеристикам может найти широкое применение в области электрических измерений, в частности в измерительной технике высоких напряжений.
В настоящее время в соответствии с заявленным решением разрабатывается конструкторская документация для выпуска программно-технического комплекса для поверки измерительных трансформаторов тока, встроенных в комплектные экранированные токопроводы электрических станций.
Литература
1. М.Willsch, P.Menke, T.Bosselmann Magneto-Optic Current Transformers for Applications in Power Industry - SIEMENS AG Corporate Research and Development ZFE Т ЕР 5, РОВ 3220, D-91050 Erlangen.
2. Fabien Briffod, Lue Thevenaz, Pierre-Alain Nicati end al. Polarimetric Current Sensor Using an In-Line Faradey Rotator - IEICE Trans. Electron., vol. EA3-C, no. 3, March 2000, pp.331-335.