ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СО ВСТРОЕННЫМ ДАТЧИКОМ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Полезная модель относится к волоконно-оптическим интерферометрическим датчикам с температурной компенсацией, предназначенным для точного измерения электрического тока или магнитного поля и может быть использована в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.
Большинство известных волоконно-оптических датчиков электрического тока работают на магнитооптическом эффекте Фарадея, например, [Волоконно-оптический датчик тока. Патент РФ RU 2437106]. Датчик состоит из оптического и электронного модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, поляризатор излучения, модулятор двулучепреломления, волоконную линию и волоконно-оптический чувствительный элемент, имеющий на концах отражатель излучения и поляризационный конвертор (четвертьволновую пластинку), и состоящий из целого числа витков магниточувствительного оптического волокна со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления, намотанных вокруг проводника с электрическим током. Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала. Электрический ток в проводнике индуцирует магнитное поле, которое посредством эффекта Фарадея вносит фазовый сдвиг между световыми волнами с ортогональными циркулярными поляризациями, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне. Если магниточувствительное оптическое волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг проводника с электрическим током в виде контура с целым числом витков N, тогда фазовый сдвиг между световыми волнами на выходе контура определяется током в проводнике и не зависит от любых внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Величина фазового сдвига определяется
где V - постоянная Верде для материала оптического волокна, Н - напряженность магнитного поля, dl - элемент замкнутого контура l, I - ток в проводнике. Интеграл берется по замкнутому пути контура l вокруг проводника с током. На практике это означает целое число витков магниточувствительного оптического волокна замкнутого контура произвольной формы. Замкнутость контура обеспечивают совмещением отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, которые ограничивают длину магниточувствительного волокна. Детектирование и цифровая обработка сигнала позволяют измерять электрические токи (магнитные поля) с погрешностью измерения 0,2% и меньше.
Волоконно-оптический чувствительный элемент из магниточувствительного оптического волокна размещают в корпусе сенсорной головки, которая защищает его от внешних воздействий. В центральном отверстии корпуса сенсорной головки размещают проводник с измеряемым током. При измерении электрического тока высокого напряжения сенсорную головку располагают, как правило, на высоковольтных изоляторах. Внутри изолятора размещают диэлектрический волоконно-оптический кабель, связывающий волоконно-оптический чувствительный элемент с блоком обработки сигнала. Расстояние между волоконно-оптическим чувствительным элементом и блоком обработки сигнала может достигать 1000 м.
Сенсорная головка, предназначенная для точного измерения рабочих токов, должна иметь температурную компенсацию зависимости постоянной Верде V магниточувствительного оптического волокна от температуры [А.Н. Rose, S.М. Etzel, С.М. Wang. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensors, J. Lightwave Technol., 15, pp. 803-807, 1997]. Температурная зависимость постоянной Верде дает погрешность в (1,0-1,5)% при измерении электрического тока в диапазоне рабочих температур от минус 60°С до 60°С и требует внесения в конструкцию сенсорной головки элемента измерения температуры магниточувствительного оптического волокна с целью температурной коррекции измерений электрического тока.
В корпусе сенсорной головки кроме основного измерительного, могут располагаться и дополнительные волоконно-оптические чувствительные элементы для измерения тока.
Для уменьшения влияния температуры на измеряемый электрический ток используют, например, [Волоконно-оптический чувствительных элемент измерительного преобразователя тока. Патент РФ RU №100630]. Чувствительный элемент выполнен в виде охватывающих проводник с измеряемым током витков оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, которые размещены в трубке из изоляционного материала, оснащенной устройством для прокачки диэлектрического теплоносителя и устройством измерения его температуры. Указанное техническое решение способно решать задачу выравнивания температурного поля и контроля температуры волоконно-оптического чувствительного элемента значительной длины. Недостатком данного технического решения является сложность и высокие затраты подвода теплоносителя для измерительных контуров, устанавливаемых на высоковольтных изоляторах.
Известно устройство [Волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока стационарного исполнения. Патент РФ RU 108633]. Волоконно-оптический чувствительный элемент выполнен в виде охватывающих проводник с измеряемым током витков оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, которые размещены в диэлектрике с высокой теплопропроводностью, покрыты теплоизолятором и оснащены электрически безопасным устройством измерения температуры волокна. В качестве устройства измерения температуры используется оптоволоконный пирометр. Вариант устройства предусматривает расположение дополнительных устройств измерения температуры в разных точках по длине чувствительного элемента.
Указанное техническое решение способно частично выравнивать температурное поле магниточувствительного оптического волокна и контролировать температуру в одной или нескольких точках. Это является особенно актуальным для волоконно-оптических чувствительных элементов больших размеров. Недостатком технического решения является сложность его использования в малогабаритных сенсорных головках, устанавливаемых на изоляторах высоковольтных токопроводов. Размещение термоголовок пирометров в сенсорной головке приводит к увеличению габаритов последней и усложнению узла герметизации дополнительного оптического кабеля пирометра в высоковольтном изоляторе. Кроме того, используемый оптоволоконный пирометр имеет ограничение по длине оптического кабеля связи с ЭОБ, имеет малый диапазон в области отрицательных температур и обладает высокой ценой.
Наиболее близким техническим решением является устройство [Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока. Патент РФ RU 130718 U1]. Устройство содержит герметичный корпус, кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса, чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и волокна волоконно-оптического датчика температуры, витки которых свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током, каждый чувствительный элемент датчика тока содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом. Внутри кварцевой оболочки уложены также волокна волоконно-оптического датчика температуры и выходной конец волокна, сохраняющего линейно поляризованное излучение и являющегося частью оптического тракта измерительного канала датчика температуры.
Достоинством технического решения является расположение магниточувствительного и термочувствительного оптических волокон датчика тока и датчика температуры внутри кварцевой оболочки, что обеспечивает абсолютное равенство их температур. Такое размещение предполагает, что для возбуждения рабочих световых волн в волоконном термочувствительном волокне датчика температуры к нему подводится линейно поляризованное излучение, сформированное в электронно-оптическом блоке или при помощи изгибного поляризующего волокна, размещенного внутри корпуса сенсорной головки. Недостатком технического решения является необходимость использования, в качестве транслирующего излучения, линейно поляризованного излучения, а также использование дорогостоящего оптического волокна сохраняющего поляризацию (типа Panda) значительной длины, определяемой расстоянием от места установки электронно-оптического блока преобразователя тока (ЭОБ) до места установки сенсорной головки. Размещение же изгибного поляризующего волокна, требующего рабочего диаметра его изгиба около 100 мм внутри корпуса сенсорной головки, значительно увеличивает габариты последней.
Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение габаритов сенсорной головки с расположенным внутри волокном, сохраняющим поляризацию и изгибным поляризующим волокном волоконно-оптического датчика температуры.
В предлагаемом техническом решении использован цельноволоконный поляризационный датчик температуры, дискретный аналог которого представлен в патенте [Оптический поляризационный датчик температуры. Патент СССР SU №1547495]. Датчик температуры состоит из волоконного источника широкополосного излучения, одномодового ответвителя 2×2, волоконной соединительной линии на основе одномодового связного оптического волокна, формирователя линейно поляризованного света на основе изгибного поляризующего волокна (изгибного поляризатора), оптического тракта длиной (8-10) м на основе оптического волокна, сохраняющего поляризацию (типа Panda), и термочувствительного оптического волокна с отражателем излучения (зеркалом) на конце. В качестве термочувствительного оптического волокна используется волокно сохраняющее поляризацию (типа Panda) длиной, определяемой диапазоном измеряемых температур и длиной поляризационных биений. Термочувствительное оптическое волокно подваривается с 45-градусной ориентацией своих осей двулучепреломления к осям двулучепреломления волокна оптического тракта, сохраняющего поляризацию излучения. В результате подводимое линейно поляризованное излучение возбуждает в термочувствительном оптическом волокне две ортогональные линейно поляризованные волны. Информационным сигналом о температуре является разность фаз между поляризованными световыми волнами, определяемая температурной зависимостью двулучепреломления термочувствительного оптического волокна. После отражения от отражателя излучения и интерференции, световые волны попадают на приемную площадку фотоприемника. Амплитуда сигнала фотоприемника определяется сдвигом фазы между линейно поляризованными волнами, индуцируемым в термочувствительном оптическом волокне. Для устранения погрешности из-за дрейфа мощности источника излучения в оптическую схему введен опорный канал. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический. Далее электрический сигнал обрабатывается электронной схемой, которая рассчитывает величину температуры. Особенностью работы предлагаемого датчика температуры является использование дешевого связного одномодового волокна в качестве оптической линии передачи излучения от электронно-оптического блока к сенсорной головке. Однако это требует размещения формирователя линейно поляризованного излучения (изгибного поляризующего волокна) непосредственно в сенсорной головке преобразователя электрического тока. Сохранение нормальной работоспособности изгибного поляризующего волокна и, соответственно, необходимой погрешности температурного датчика в диапазоне рабочих температур более 100°С возможно при диаметре изгиба поляризующего волокна около 100 мм. При этом изгиб с таким радиусом для волокна, сохраняющего поляризацию, не критичен. В то же время диаметральный размер волоконно-оптического чувствительного элемента измерительного преобразователя электрического тока зависит от размеров поперечного сечения проводника. Так, согласно табл. 1.3.31 [Правила устройства электроустановок ПУЭ, 7-е изд. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, М, 2004] для допустимого длительного тока 1900 А требуется алюминиевая прямоугольная шина сечением (120×8) мм. С учетом зазоров и стенок корпуса сенсорной головки диаметральный размер витков магниточувствительного оптического волокна составит не менее 200 мм.
Стоит задача конструктивно разместить магниточувствительное оптическое волокно, а также термочувствительное оптическое волокно, изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию датчика температуры, имеющие вышеуказанные диаметральные размеры, в малом габарите сенсорной головки.
Существенными признаками заявленной полезной модели, являются:
- Волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока, содержащий магниточувствительное оптическое волокно со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце. Признак обеспечивает возможность измерения электрического тока или магнитного поля на основе эффекта Фарадея.
- Содержит термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном сохраняющим поляризацию и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры. Обеспечивает возможность измерения температуры поляризационным волоконно-оптическим датчиком.
- Которые (термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном сохраняющим поляризацию и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры) вместе с магниточувствительным оптическим волокном охватывают проводник с измеряемым током. Такое расположение указанных оптических волокон обеспечивает уменьшение габаритов сенсорной головки в диаметральном направлении. При расположении витков изгибного поляризующего волокна и волокна сохраняющего поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры над или под витками магниточувствительного оптического волокна (фиг. 1, фиг. 2) отпадает необходимость размещать витки поляризующего волокна значительного диаметра (100 мм) в плоскости сенсорной головки, что вызвало бы увеличение размеров последней.
- Витки магниточувствительного оптического волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры свободно уложены внутри кварцевой оболочки. Близкое размещение указанных элементов обеспечивает измерение фактической температуры магниточувствительного волокна измерительного преобразователя электрического тока в реальном масштабе времени, что необходимо для коррекции влияния температуры на точность измерения электрического тока. Свободная укладка элементов снижает механическое и температурное воздействие внешней среды на оптические волокна и оптических волокон друг на друга за счет жесткости кварцевой оболочки и близкого коэффициента линейного расширения кварцевой оболочки и оптических волокон.
Изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех. Размещение указанных оптических волокон в радиусных элементах, образующих скругления углов выпуклого многоугольника, обеспечивает изгиб изгибного поляризующего оптического волокна с требуемым радиусом r при одновременном размещении его вокруг проводника с измеряемым током большого сечения на диаметре большем, чем радиус изгиба волокна r. При этом диаметральные габаритные размеры кварцевой оболочки и расположения радиусных элементов незначительно отличаются друг от друга (фиг. 1, фиг. 2). Обеспечивает создание линейно поляризованного излучения, сформированного на основе изгибного поляризующего волокна, размещенного в радиусных элементах. Волокно сохраняющее поляризацию при изгибе с радиусом r сохраняет свои свойства, поэтому, для экономии места также уложено в радиусные элементы. Выпуклый многоугольник преимущественно выполняют правильным. Однако он может быть и неправильным, особенно при прямоугольном поперечном сечении токопровода (см. фиг. 3). Минимальное число сторон многоугольника три, максимальное число сторон не ограничено и определяется конструкцией сенсорной головки, оно зависит от ширины зоны 4 (фиг. 1, 2) и соотношений размеров радиусных элементов и кварцевой оболочки. Радиусные элементы, определяющие требуемый изгиб изгибного поляризующего оптического волокна, могут быть конструктивно выполнены как стенка, паз, трубка, направляющая и т.д., и конструктивно объединены.
Существенными отличительными признаками, влияющими на получение технического результата являются:
- Изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема размещения кварцевой оболочки и радиусных элементов, принадлежащих правильному многоугольнику с тремя сторонами и круглой шиной токопровода (проводника с измеряемым током). На фиг. 2 изображена схема размещения кварцевой оболочки и радиусных элементов, принадлежащих неправильному многоугольнику с четырьмя сторонами и плоской шиной токопровода. На фиг. 3 изображен вариант выполнения четырех радиусных элементов в виде пазов, объединенных в направляющую. На фиг. 4 изображен разрез А-А направляющей, изображенной на фиг. 3. На фиг. 1-4 оптические волокна условно не показаны. Цифрами на фиг. 1-4 обозначены: 1 - радиусный элемент, 2 - многоугольник, 3 - направляющая, 4 - зона (между пунктирными линиями) размещения кварцевой оболочки, радиусных элементов, термочувствительного оптического волокна, изгибного поляризующего волокна и волокна сохраняющего поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры, 5 - токопровод (проводник с измеряемым током), 6 - кварцевая оболочка. Буквами обозначены: а - сторона многоугольника, r - радиус радиусного элемента (радиус скругления углов многоугольника).
В герметичном корпусе сенсорной головки выполнено центральное отверстие, где размещают токопровод 5. В корпусе, в зоне 4 размещают кварцевую оболочку, термочувствительное оптическое волокно, радиусные элементы, изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры. Внутри кварцевой оболочки 6 свободно уложены витки магниточувствительного оптического волокна с отражателем излучения и четвертьволновой пластинкой λ/4, а также термочувствительное оптическое волокно волоконно-оптического датчика температуры с отражателем излучения на конце. Изгибное поляризующее оптическое волокно и волокно сохраняющее поляризацию волоконно-оптического датчика температуры укладывают в радиусные элементы 1, которые обеспечивают требуемый радиус изгиба r поляризующего волокна. Между радиусными элементами 1 поляризующие оптические волокна лежат свободно (вдоль сторон а многоугольника). Оптические волокна, соединяющие сенсорную головку и ЭОБ, размещают в диэлектрическом оптическом кабеле, который крепят на входе в сенсорную головку для предотвращения его перемещения вдоль и вокруг своей оси. Герметичность места входа оптического кабеля в сенсорную головку обеспечивают конструкцией сопрягаемых деталей.
Примером выполнения полезной модели является волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока, содержащий три контура магниточувствительного оптического SPUN-волокна с различным количеством витков и поляризационный волоконно-оптический датчик температуры с волокном сохраняющим поляризацию и изгибным поляризующим волокном, размещенными в сенсорной головке. Отражатели излучения получены скалыванием оптических волокон и напылением металла. Четвертьволновые пластинки выполнены из оптического волокна сохраняющего поляризацию излучения. Использовался широкополосный источник оптического излучения с рабочей длиной волны λ=1550 нм. Магниточувствительные оптические волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры помещены в кварцевую оболочку со средним диаметром D=206 мм. Габариты кварцевой оболочки не превышали 212 мм и ограничивались габаритными размерами поперечного сечения проводников. Радиусные элементы объединены в направляющую, выполненную в виде кольца из немагнитного, диэлектрического материала с габаритными размерами D=220 мм/d=190 мм, толщиной 7 мм, с 5-ю радиусными элементами, выполненными в виде пазов, имеющими радиусы r=57 мм и с 5-ю открытыми пазами для свободного размещения волокон. Проводились измерения электрического тока в диапазоне до 5000 А. В процессе измерения сенсорная головка помещалась в термокамеру где изменялась и контролировалась температура магниточувствительных оптических волокон в диапазоне от минус 60°С до 60°С. Данные о фактической температуре магниточувствительных оптических волокон использовались для корректировки показаний измеренного электрического тока. Выполненные измерения переменного электрического тока показали относительную погрешность ±0,1%.