ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИЗОЛЯТОР С ВСТРОЕННЫМИ В НЕГО ТАКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к измерениям высоких напряжений с помощью оптических средств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен, выбранный в качестве прототипа волоконно-оптический преобразователь напряжения, встроенный в высоковольтный изолятор [US 6140810].
Измерение высокого напряжения в прототипе основано на использовании явления обратного пьезоэффекта - деформации пьезокристаллов под воздействием электрического поля и соответствующего изменения длины оптоволокна, намотанного на цилиндр из кристалла кварца.
Прототип содержит внешние электроды, внутренние электроды, пьезокристаллический цилиндр, установленный между внутренними электродами и оптоволокно, намотанное на указанный цилиндр. В вертикально установленной колонне из четырех преобразователей их цилиндры установлены соосно. Геометрическая ось цилиндра совпадает с электрической осью его пьезокристалла. Направления электрических осей всех цилиндров в колонне прототипа одинаковы. Напряженность электрического поля, направленная вдоль оси цилиндра, модулирует его диаметр и соответственно меняет длину намотанного на цилиндр оптоволокна. При изменении длины волокна пропорционально изменяется длина оптического пути излучения, которая измеряется и служит исходной информацией для расчета прикладываемого к электродам напряжения.
Недостаток прототипа состоит в относительной малости регистрируемого эффекта: изменение оптического пути излучения много меньше изменения длины самого волокна. Это приводит к ограничениям по чувствительности и динамическому диапазону преобразователя.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Технический результат предложения увеличение диапазона изменения интерференционной фазы на несколько порядков, увеличением видности интерференционной картины до 100%, снижение чувствительности к акустическим шумам и изменениям температуры.
Предметом предложения является группа из двух полезных моделей: волоконно-оптический преобразователь и высоковольтный изолятор, в который встроены такие преобразователи.
Волоконно-оптический преобразователь содержит токопроводящие электроды, между которыми соосно установлена пара пьезокристаллических цилиндров, геометрические оси которых совпадают с электрическими осями их пьезокристаллов, отрезки оптоволокна, намотанные на указанные цилиндры, и отличается тем, что электрические оси пьезокристаллов цилиндров направлены встречно, а отрезки оптоволокна предназначены для включения в противоположные плечи интерферометра Майкельсона.
Решение имеет развитие, состоящие в том, что каждый токопроводящий электрод выполнен из внешней и внутренней частей, при этом внешние части электродов скреплены между собой наружным трубчатым изолятором, в отверстия которого введены крепежные винты.
Это позволяет обеспечить требуемый характер электрического поля и упростить сборку преобразователя.
Другое развитие первой полезной модели состоит в том, что пара пьезокристаллических цилиндров охвачена внутренним полым изолятором, на который намотан дополнительный отрезок оптоволокна, предназначенный для контроля температуры.
Это позволяет измерять температуру пьезокристаллических цилиндров и корректировать температурную погрешность измерений напряжения.
Предметом второй полезной модели группы является высоковольтный изолятор, содержащий изоляционный цилиндр с ребрами на наружной поверхности, в полость которого встроена колонна из преобразователей напряжения, отличающийся тем, что каждый преобразователь напряжения выполнен как описано выше, а отрезки оптоволокна, намотанные на пьезокристаллические цилиндры с одинаковым направлением электрических осей пьезокристаллов, последовательно соединены в две оптические линии, предназначенные для включения в противоположные плечи интерферометра Майкельсона.
Осуществление группы полезных моделей с учетом развитий.
На фиг. 1 представлена конструкция волоконно-оптического преобразователя напряжения. На фиг. 2 - высоковольтный изолятор, в который встроены, например, четыре волоконно-оптических преобразователя напряжения.
На фиг. 1 показаны:
- токопроводящие электроды, каждый из которых имеет внешнюю часть 1 и внутреннюю часть 2;
- пьезокристаллические цилиндры 3, например, из монокристаллического кварца;
- отрезки 4 оптоволокна, намотанные на цилиндры 3;
- наружный трубчатый изолятор 5, соединяющий между собой электроды 1 с помощью крепежных винтов;
- внутренний полый изолятор 6, охватывающий цилиндры 3 с отрезками 4 оптоволокна;
- дополнительный отрезок 7 оптоволокна, намотанный на полый изолятор 6.
Цилиндры 3 установлены соосно. Их геометрические оси совпадают с электрическими осями E пьезокристаллов. Направления электрических осей E пары цилиндров 3 встречны.
Отрезки 4 оптоволокна предназначены для включения в разные плечи интерферометра Майкельсона, позволяющего определить изменения длины отрезков 4 оптоволокна.
Отрезок 7 оптоволокна, намотанный на изолятор 6, используется как термочувствительный элемент.
Наружный трубчатый изолятор 5 с помощью крепежных винтов фиксирует все элементы преобразователя в единую конструкцию.
Измерительный преобразователь 8 (см. фиг. 1) работает следующим образом.
К внешним частям 1 электродов подводится измеряемое напряжение. При этом диаметры двух цилиндров 3 модулируются (изменяются) в зависимости от знака и величины напряженности электрического поля между электродами. Приращения диаметров цилиндров 3 имеют противоположный знак из-за встречного направления их электрических осей E. Соответственно в противоположные стороны изменяются длины отрезков 4 оптоволокна, плотно намотанных на цилиндры 3. Эти изменения измеряются с помощью интерферометра Майкельсона и затем пересчитываются в значения напряжения, прикладываемого к электродам 1.
Отрезок 7 оптоволокна, намотанный на изолятор 6, работает как линия задержки, длительность которой измеряют с помощью импульсного лазера. Температурные колебания длины отрезка 7 и соответственно длительности задержки позволяют контролировать температуру цилиндров 3 для уточнения калибровочной константы преобразователя и, тем самым, компенсировать температурную погрешность в расчетах измеряемого напряжения.
Для измерения высоких напряжений колонна из четырех преобразователей 8, показанных на фиг.1, установленных друг на друга с помощью обечаек 9, встраивается в полость изолятора 10 (см. фиг.2). Все цилиндры 3 преобразователей 8 устанавливаются соосно, а их геометрические оси совпадают с электрическими осями Е пьезокристаллов. При этом направления электрических осей E пары цилиндров 3 в составе каждого преобразователя 8 противоположны. Отрезки 4 оптоволокна всех преобразователей, намотанные на цилиндры 3 с одинаковым направлением электрических осей E пьезокристаллов, последовательно соединяются в две оптические линии, которые предназначены для включения в противоположные плечи интерферометра Майкельсона.
Конструкция измерительного преобразователя и высоковольтный изолятор с встроенной в его полость колонной из таких преобразователей позволяют с высокой точностью измерять напряжения в высоковольтных электрических цепях. Повышение точности измерения обусловлено встречной направленностью электрических осей Е пьезокристаллов каждой пары цилиндров 3, и последовательным соединением отрезков 4, намотанных на цилиндры 3 с одинаковым направлением электрических осей Е пьезокристаллов, в две оптические линии для их включения в противоположные плечи интерферометра Майкельсона.