ЯЧЕЙКА ФАРАДЕЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2020 года по МПК G01R15/24 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим измерителям тока, в которых используется эффект Фарадея.

Целью изобретения является создание унифицированного оптического датчика (ячейки Фарадея) для использования в качестве измерителя тока в высоковольтных сетях различного класса.

Существующие традиционные электромагнитные высоковольтные трансформаторы тока имеют ряд недостатков. Основные из них:

- наличие трансформаторного масла или газа в качестве диэлектриков;

- большой вес и габариты;

- насыщение магнитопровода при коротком замыкании;

- влияние вторичных цепей на точностные характеристики;

- явление феррорезонанса;

- аналоговый сигнал, характеризующий измеренный ток.

Высоковольтные цифровые оптические измерители тока имеют ряд преимуществ и появились на рынке несколько лет назад [1].

К основным преимуществам оптических измерителей тока можно отнести:

- отсутствие пожароопасных веществ (масла, газа);

- отсутствие ферромагнитных материалов;

- гальваническая развязка от напряжения сети;

- малые габариты и вес;

- выходные данные (результаты измерений) в цифровом виде.

Основным узлом оптических измерителей тока является ячейка Фарадея, содержащая два поляризатора, между которыми установлен магниточувствительный элемент из диэлектрического материала прозрачного для света с рабочей длиной волны λ, который находится в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии.

Принцип работы ячейки Фарадея основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, открытом М. Фарадеем в 1846 году.

Природа этого явления состоит в следующем. Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух циркулярно поляризованных компонент. Под действием продольного магнитного поля в таких веществах, как, например, стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции и между этими компонентами возникает разность фаз

где n_л и n_п - показатели преломления для компонент поляризации, соответственно для левой и правой циркуляции;

L - путь, пройденный пучком света в веществе.

В результате запаздывания по фазе одной компоненты по отношению к другой на выходе стекла происходит их суммирование и эффект поворота (преобразования) линейно поляризованного света на угол

где - величина напряженности магнитного поля, действующего на магниточувствительный элемент;

V - постоянная Верде магниточувствительного элемента (стекла);

L - путь, пройденный поляризованным светом в стекле;

β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля, создаваемого фрагментом проводника с током;

N - число витков фрагмента проводника;

i - ток, протекаемый по фрагменту проводника;

k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние стекла до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла, а также переход к характеристике напряженности магнитного поля в виде ампер-витков.

Из формул (1,2) видно, что для измерения тока i, протекаемого по фрагменту проводника высоковольтной линии, можно использовать два способа. При наиболее распространенном способе на магниточувствительный элемент (стекло) направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют азимут угла поворота плоскости поляризации α, который пропорционален напряженности магнитного поля вдоль распространения света и, следовательно, измеряемому току i [2,3].

Реже используют способ измерения разности фаз δ между компонентами циркулярно поляризованного света (1), когда на магниточувствительный элемент, например, в виде spun волокна, направляют циркулярно поляризованный свет [4,5].

Первый способ простой и надежный. Так рассмотрим известную из учебников простейшую конструкцию ячейки Фарадея, содержащую установленные последовательно источник коллимированного света, линейный поляризатор стеклянный стержень с полированными торцами, второй линейный поляризатор, плоскость пропускания которого составляет с плоскостью пропускания первого поляризатора угол ±45°. Стеклянный стержень помещен в центре соленоида, по которому проходит измеряемый переменный ток частоты сети ω = 50 Гц

По воздействию на линейно поляризованный свет стеклянный стержень можно представить матрицей ротора [6]:

где α_max - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света, в соответствии с формулой (2).

Интенсивность света I на выходе ячейки Фарадея можно найти из уравнения

где - вектор Стокса неполяризованного света источника интенсивностью I₀;

[М_П]_45° и [М_П]_0° - табличные матрицы для идеальных линейных поляризаторов [6] с плоскостями пропускания, соответственно 0° и 45°.

После перемножения матриц преобразования (5) находим первый параметр вектора Стокса, характеризующий интенсивность света I, прошедшего через ячейку Фарадея,

Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей света I несет в себе информацию ο угле поворота α и ο величине тока i, а именно:

Однако простейшие ячейки Фарадея в высоковольтных сетях не применяются из-за сложности подачи света стеклянному стержню, находящемуся под высоким напряжением. Заманчиво в качестве магниточувствительного элемента ячейки Фарадея использовать волоконные световоды. Известны устройства, в которых волоконные световоды наматывают в виде катушек и надевают на фрагменты проводников с током высоковольтной линии так, что витки волоконных световодов совпадают с направлением силовых линий магнитного поля фрагмента проводника [7].

Главным недостатком подобных устройств является существенная деполяризация линейно поляризованного света в волоконных световодах. Известно, что принцип работы любого волоконного световода основан на явлении полного внутреннего отражения света, при котором неизбежно возникает разность фаз δ между взаимоортагональными компонентами поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависят от ориентации плоскости поляризации падающего света относительно плоскости границы раздела сердцевины волокна и его оболочки, а так же от угла преломления при каждом акте внутреннего отражения внутри волоконного световода. Кроме того, при изгибах световодов в них неизбежно появляются механические нагрузки, которые приводят к появлению двойного лучепреломления и к дополнительной разности фаз. Следовательно, волоконные световоды являются анизотропными. Любой волоконный световод можно представить в виде набора фазовых пластинок с различными направлениями главных осей, преобразующих линейно поляризованный свет в эллиптический.

В процессе распространения линейно поляризованного света в волоконном световоде происходит хаотическое преобразование состояния поляризации света и на выходе волоконного световода вместо линейно поляризованного света получаем частично поляризованный свет (если световод одномодовый и небольшой длины) или полностью не поляризованный свет (если световод многомодовый).

Следовательно, магниточувствительный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде одномодового волоконного световода, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразования

где p=1 - Δр - степень поляризации света;

α - угол поворота плоскости поляризации света под воздействием магнитного поля.

Если матрицу (9) подставить в уравнение (5), то после перемножений матриц найдем интенсивность света, выходящего из волоконного световода после второго поляризатора:

В этом случае величину измеряемого тока i можно представить выражением

Из уравнения (11) видно, что с уменьшением степени поляризации р уменьшается амплитуда оптического сигнала, несущего информацию ο эффекте Фарадея (ο угле поворота α) и, соответственно, вносится ошибка в результаты измерения тока.

Для устранения этого существенного недостатка в работах [5,6] предложено в качестве магниточувствительного элемента ячейки Фарадея использовать spun-волокно и вместо линейно поляризованного света в spun-волокне подавать циркулярно поляризованный свет.

Spun-волокно принципиально отличается от остальных тем, что его получают вращением заготовки в процессе вытяжки. В результате это волокно приобретает спиральную структуру и его следует рассматривать как набор фазовых пластинок, главные оси которых вращаются при перемещении в направлении распространения света, то есть происходит вращение квазиглавных направлений оптической анизотропии, при котором интегральный закон Вертгейма не имеет места.

В этом случае при распространении по spun-волокну линейно поляризованного света происходит его полная деполяризация, а если вместо линейно поляризованного света направить циркулярно поляризованный свет, то степень поляризации его частично сохраняется [5]. Степень сохранения циркулярной поляризации зависит от шага спиральной структуры L_s spun-волокна и длины биений встроенного двойного лучепреломления L_в, то есть от параметра:

В такой известной ячейке используется способ измерения разности фаз (1) между компонентами с правой и левой циркуляцией поляризованного света. Практическая реализация этого способа [5] не простая как в вопросах изготовления spun-волокна, так и создания инфракрасного интерферометра, работающего на длине волны λ=1550 нм со специальным ультразвуковым модулятором двойного лучепреломления. Изделие сложное и дорогое.

Известен магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока [8], ячейка Фарадея которого содержит первый подающий квазимонохроматический свет волоконный световод 1 (фиг. 1), формирователь параллельного пучка света диаметром D в виде коллимирующей линзы 2 и установленные в пучке света последовательно по ходу лучей первый поляризатор 3, магниточувствительный элемент в виде четырех стеклянных призм типа АР-180° 4, склеенных последовательно так, что они охватывают по кругу проводник с током 5. На выходе четвертой призмы 4 приклеен второй поляризатор 6, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3. Далее установлена фокусирующая свет линза 7, в фокусе которой находится торец второго волоконного световода 8, подающего свет на фотоприемное устройство (на фиг. 1 не показано).

Известное устройство работает следующем образом.

Свет от источника с помощью первого многомодового волоконного световода 1 передается в фокальную плоскость коллиматора 2. Далее после коллиматора свет проходит первый линейный поляризатор 3, становится линейно поляризованным, последовательно проходит все четыре призмы 4, второй линейный поляризатор 6, собирающую свет линзу 7 и попадает на торец второго волоконного световода 8.

Если по фрагменту проводника с током 5 проходит переменный ток, то вокруг проводника 5 создается переменное магнитное поле, магнитные силовые линии которого в виде концентрических колец пронизывают призмы 4, по которым проходит линейно поляризованный свет по прямой, параллельной осевым линиям каждой призмы 4. Продольная составляющая этих силовых линий, совпадающая с направлением распространения света в каждой из четырех призм 4 создает эффект поворота плоскости поляризации на угол

где α_max = H_maxVLcosβ;

H_max - максимальная амплитуда напряженности магнитного поля вокруг проводника;

V - постоянная Верде стекла призм 4;

L - длина пути поляризованного света, пройденного вдоль магнитных силовых линий;

β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля.

Благодаря тому, что главное сечение последующей призмы АР-180° находится под углом 90° к главному сечению предыдущей призмы, то разность фаз δ между компонентами поляризованного света, возникающая при полном внутреннем отражении в предыдущей призме, компенсируется в последующей призме (если все призмы 4 выполнены из одной марки стекла). Поэтому в отличие от волоконных световодов в процессе прохождения поляризованного света по всем четырем призмам 4 эффекта деполяризации света не происходит.

Однако, эта известное устройство [8] имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, в данной ячейке Фарадея не эффективно используется магнитное поле, возникающее вокруг проводника 5. Так, в каждой из четырех призм 4 свет распространяется по прямой, составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии магнитного поля вокруг проводника имеет форму колец. Причем напряженность магнитного поля у поверхности проводника 5 наибольшая, а с увеличением радиуса r кольца убывает по закону:

Поэтому в зоне центральной части каждой призмы напряженность поля Н наибольшая, а у концов призм существенно меньше. К тому же у концов призм на участках перехода от одной призмы к другой свет распространяется перпендикулярно плоскости колец магнитных силовых линий и не вносит никакого вклада в эффект Фарадея.

Во-вторых, если требуется достичь высокой точности измерений переменного тока, то данное устройство не имеет перспектив существенного увеличения пути L поляризованного света в призмах и увеличения числа витков проводника с током.

Известна более совершенная ячейка Фарадея, которая используется в известном оптическом измерителе тока [3], которая является прототипом заявляемому устройству.

Эта известная ячейка Фарадея содержит первый подающий квазимонохроматический свет с длиной волны λ волоконный световод 1 (фиг. 2), формирователь параллельного пучка света диаметром D в виде линзы 2 и установленные в пучке света последовательно по ходу лучей первый линейный поляризатор 3, магниточувствительный элемент 4, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током 5 и выполненный из оптического стекла с показателем преломления n_λ в виде четырехугольной призмы 4 высотой h, второй линейный поляризатор 6, фокусирующая свет линза 7 и второй волоконный световод 8. Торец световода 8 находится в фокусе линзы 7. Плоскость пропускания первого поляризатора 3 параллельна большой грани призмы 4. Плоскость пропускания второго поляризатора 6 составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3.

Первое основание 9 призмы 4 полировано и на нем частично нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полоски 10. Другое основание призмы 4 содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями 11, 12, которые наклонены относительно первого основания 9 под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и в центре основания образуют между собой ребро.

Известное устройство [3] работает следующим образом.

Вышедший из первого волоконного световода 1 (фиг. 2) расходящийся пучок квазимонохроматического света попадает на линзу коллиматора 2. Торец волновода 1 находится в фокусе линзы 2, поэтому после линзы 2 формируется параллельный пучок света, который проходит первый поляризатор 3 и становится линейно поляризованным, плоскость поляризации которого параллельна большой грани призмы 4. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную призму 4 и под углом γ падает на зеркальную поверхность 11, отражается от нее, второй раз проходит призму 4, под углом 2γ падает на зеркальную поверхность полоски 10, отражается от нее, третий раз проходит призму 4 и под углом γ падает на зеркальную поверхность 12, после отражения от нее проходит призму 4 в четвертый раз, проходит второй поляризатор 6.

Поскольку в данном примере плоскость поляризации света, падающего на границу стекло-зеркальное покрытие, совпадает с плоскостью падения света, то для модулей комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света можно записать а азимут преимущественной поляризации после отражения

Если ток i по фрагменту проводника 5 не проходит, магнитное поле отсутствует, а на призму 4 не действуют механические или термические нагрузки, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея

где I₀ - интенсивность света, падающего на первый поляризатор 3;

- коэффициент отражения света для параллельной составляющей.

Если по фрагменту проводника 5 протекает переменный ток i=i_maxsinωt, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея изменяется по закону

где Δα - дополнительное изменение азимута линейной поляризации света, вызванное эффектом отражения от зеркальных поверхностей призмы в зависимости от усредненной величины угла поворота α, вызванного эффектом Фарадея в процессе каждого прохождения света внутри призмы 4.

Амплитуду переменного тока можно найти по формулам (7), (8), то

есть:

Из формулы (18) видно, что дополнительный угол Δα влияет на точность измерения тока i.

Так, например, расчеты [9] показывают, что при алюминиевом зеркальном покрытии на стекле ТФ5 относительный показатель преломления отражающей поверхности является комплексной величиной .

Следовательно, при угле падения γ=2,8° на зеркальные поверхности призмы 4 и при четырех проходах света в одной плоскости, когда средняя величина эффекта Фарадея дает угол i_max≤12°, азимут линейной поляризации дополнительно изменяется на величину:

Эта дополнительная погрешность существенно влияет на результат измерения тока. Например, при номинальном токе i_max=1200A дополнительная погрешность за счет влияния Δα составит ±0,2%, что согласно ГОСТ 7746-2015 равно основной погрешности (требуется класс точности 0,2S).

Другим существенным недостатком прототипа является его незащищенность от возможных запотеваний при его эксплуатации на открытом воздухе, например, на открытых подстанциях, когда возможен перепад температур от минус 50 до плюс 50°С при различной влажности воздуха.

Предлагается новая ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях, свободная от упомянутых недостатков. Предлагаемая ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях содержит первый подающий квазихроматический свет с длиной волны λ волоконный световод, формирователь параллельного пучка света диаметром D и установленные в нем последовательно по ходу лучей первый поляризатор, магниточувствительный элемент, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, выполненный из оптического стекла типа ТФ5 с показателем преломления n_λ=n_D=1,7550 в виде четырехугольной призмы высотой h с зеркальными покрытиями на ее основаниях, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фокусирующая свет линза и второй волоконный световод, подающий свет на фотоприемное устройство. Первый и второй поляризаторы приклеены на свободной от зеркального покрытия поверхности первого основания и покрыты дополнительной тонкой призмой из того же сорта стекла с показателем преломления n_λ=1,7550, полированные грани которой образуют с ее основанием равные углы

где L - путь, пройденный светом в призмах;

l - расстояние между центрами входящего в призму и выходящего из нее пучками света.

С целью повышения точности и уменьшения габаритов первое основание четырехугольной призмы содержит две равные по величине плоскости, одна из которых свободна от зеркального покрытия и перпендикулярна боковым граням призмы, а другая покрыта зеркальным покрытием и наклонена в сторону второго основания и составляет с перпендикулярной плоскостью угол

Второе основание содержит точно такие же две поверхности, но обе покрыты зеркальными покрытиями и выполнено так, что его наклоненная поверхность параллельна наклонной поверхности первого основания и расположена напротив перпендикулярной боковым граням плоскости первого основания.

С целью унификации и предотвращения запотевания элементов оптики при эксплуатации ячейки Фарадея в экстремальных климатических условиях (от минус 50°С до плюс 50°С и повышенной влажности до 80% при 20°С) все оптические элементы ячейки Фарадея вместе с наконечниками волоконных световодов заключены в монолитный герметичный корпус из диамагнитного и диэлектрического материала, например, из стеклопластика. А длина волоконных световодов равна высоте полых высоковольтных изоляторов, то есть, соответствует классу высоковольтной сети.

На фиг. 1 показана структурная схема ячейки Фарадея известного магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока по патенту [8] фирмы ООО «НПП Марс-Энерго».

На фиг. 2 показана структурная схема ячейки Фарадея известного оптического измерителя тока по патенту [3] АО «Швабе - Технологическая лаборатория».

На фиг. 3 показана структурная схема предлагаемой ячейки Фарадея для измерителей тока в высоковольтных сетях.

На фиг. 4 показана схема конструкции предлагаемой ячейки Фарадея с разрезом вдоль осей первого и второго волоконных световодов.

На фиг. 5 показана схема конструкции предлагаемой ячейки Фарадея повернутой на 90°С с разрезом вдоль оси первого волоконного световода.

Предлагаемая ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях содержит первый подающий квазихроматический свет с длиной волны λ волоконный световод 1 (фиг. 3), формирователь параллельного пучка света диаметром D в виде коллиматорной линзы 2 и установленные в параллельном пучке света последовательно по ходу лучей первый поляризатор 3, магниточувствительный элемент в виде четырехугольной призмы 4 высоты h, выполненный из стекла с показателем преломления n_λ и находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током 5, второй поляризатор 6, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3, фокусирующая свет линза 7 и второй волоконный световод 8, подающий свет на фотоприемное устройство (на чертежах не показано). Первый 3 и второй 6 поляризаторы приклеены на свободной от зеркального покрытия поверхности 9 первого основания и покрыты дополнительной тонкой стеклянной призмой 13. Полированные грани призмы 13 образуют с ее основанием равные углы (19):

θ=arcsin{n_λsin[arctg(l/L)]},

где L - путь, пройденный светом в призмах 4, 13;

l - расстояние между центрами входящего в призму 13 и выходящего из нее пучками света.

Первое основание четырехугольной призмы 4 содержит две равные по величине плоскости 9, 10. Плоскость 9 свободна от зеркального покрытия и перпендикулярна боковым граням призмы 4, а другая покрыта зеркальным покрытием и наклонена в сторону второго основания и составляет с перпендикулярной плоскостью 9 угол (20):

γ=arctg[0,5(D+2мм)/h].

Второе основание содержит точно такие же две поверхности 11, 12, но обе покрыты зеркальными покрытиями и выполнено так, что его наклоненная поверхность 11 параллельна наклонной поверхности 10 первого основания и расположена напротив плоскости 9, которая перпендикулярна боковым граням призмы 4.

С целью унификации и предотвращения запотевания элементов оптики при эксплуатации в экстремальных климатических условиях все оптические элементы ячейки Фарадея вместе с наконечниками волоконных световодов 1, 8 (фиг. 4, 5) заключены в монолитном герметичном корпусе 14, выполненного из диамагнитного и диэлектрического материала, например, из стеклопластика. Корпус 14 содержит паз 15, в котором установлена прямоугольная призма 4. Для фиксации призмы 4 в пазу 15 по обе стороны призмы 4 установлены щечки 16, а сверху надет колпак 17. Корпус 14 содержит фланец 18 для крепления его на фланце 19 пустотелого высоковольтного изолятора (на чертеже не показан). Линзы 2 и 7 и наконечники волоконных световодов 1 и 8 установлены в гильзах 20 и 21 с крепежными кольцами 22 и 23. Гильзы 20 и 21 вставлены в отверстия корпуса 14 и закреплены планкой 24. В нижней части корпуса 14 установлен резиновый колпак 25. Для обеспечения надежной герметичности всей сборки предлагаемой ячейки Фарадея в местах соприкосновения с корпусом 14 стеклопластикового колпака 17 и резинового колпака 25 нанесен слой герметика 26. Герметик 26 нанесен также на наконечники волоконных световодов 1, 8 (фиг. 4) в тех местах, где они соприкасаются с резиновым колпаком 25.

Предлагаемая ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях работает следующим образом.

Поданный волоконным волноводом 1 (фиг. 3) квазихроматический свет с длиной волны λ_max в виде расходящегося пучка подается на коллимирующую линзу 2. Торец волновода 1 находится в фокусе линзы 2, поэтому линза 2 формирует коллимированный пучок света, который после диафрагмы имеет диаметр D. Параллельный пучок света проходит призму 13, отклоняется в плоскости ее главного сечения на угол

где θ - угол наклона входной грани призмы 13 по отношению к ее основанию;

n_λ - показатель преломления стекла призмы 13.

Далее пучок света проходит поляризатор 3, становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого перпендикулярен ребру, образованному плоскостями 9 и 10, проходит первый раз четырехугольную призму 4, отражается под углом γ от зеркальной поверхности 11, второй раз проходит призму 4, отражается под тем же углом γ от зеркальной поверхности 10, третий раз проходит призму 4 под углом 90° (нормально) отражается от зеркальной поверхности 12, четвертый раз проходит призму под углом γ отражается от поверхности 10, пятый раз проходит призму 4, отражается от зеркальной поверхности 11, шестой раз проходит призму 4, проходит поляризатор 6, дополнительную призму 13 и линзой 7 собирается на торце второго волоконного волновода 8. В процессе прохода параллельного пучка света внутри призмы 4 происходит его отражение и отклонение в двух взаимоортагональных плоскостях под углом γ в плоскости перпендикулярной ребру, образованному плоскостями 9, 10 и 11, 12 и под углом β в плоскости параллельной этому ребру. Так, если входной коллимированный пучок света диаметром D занимает площадку 27 при входе через поверхность 9, то после первого прохода он отражается от площадки 28, после второго прохода отражается от площадки 29, после третьего прохода - от площадки 30, после четвертого прохода отражается от площадки 31, после пятого прохода отражается от площадки 32 и после шестого прохода покидает призму 4 и призму 13 через площадку 33.

Интенсивность света I, выходящего из ячейки Фарадея и сфокусированного на торце второго волоконного волновода 8 пропорциональна первому параметру Стокса, которую можно найти после перемножения матриц преобразования поляризованного света элементами оптики согласно уравнению:

- вектор Стокса, характеризующий неполяризованный свет после коллиматорной линзы 2;

- матрица преобразования линейного поляризатора с азимутом пропускания 0°;

- матрица преобразования поляризованного света призмой 4, когда на нее действует продольное магнитное поле фрагмента проводника 5 и происходит поворот плоскости поляризации на угол Δα и дополнительно происходит частичное дополнительное изменение азимута поляризации α за счет многократного отражения от границы стекло-алюминий зеркальных поверхностей 10-12;

- матрица преобразования света вторым поляризатором 6 с азимутом пропускания 45°;

- интегральные коэффициенты отражения света для и перпендикулярной и параллельной составляющих линейно поляризованного света;

Δα - суммарная величина дополнительного угла поворота плоскости поляризации за счет неодинаковых изменений интегральных коэффициентов отражения , когда α≠0;

ω = 50 Гц - частота сети переменного тока.

После перемножения матриц получаем первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света

В четырехугольной призме 4 предлагаемой ячейки Фарадея происходит пятикратное отражение поляризованного света от зеркальных поверхностей одновременно в двух взаимоортагональных плоскостях каждый раз на близкие по величине углы γ и β то энергетические коэффициенты отражения будут изменяться одинаково и согласно формулы (17):

Поэтому отношение переменной составляющей к постоянной составляющей оптического сигнала можно представить выражением:

Величина измеряемого тока пропорциональна отношению θ (8):

Волоконный волновод 8 передает свет фотоприемному устройству (на чертежах не показано), в котором свет воспринимается фотоприемником, электрический сигнал усиливается, вычисляется отношение Q переменной составляющей к постоянной, вычисляется значение измеряемого тока i, индицируется измеренная величина тока на табло и транслируется с помощью интерфейса другим внешним устройствам.

Принципиальными преимуществами предлагаемого устройства являются следующие.

Во-первых, благодаря особой конструкции магниточувствительного элемента в предлагаемой ячейке Фарадея удалось достичь шестикратного прохождения поляризованного пучка света гораздо большего диаметра по сравнении с известными подобными устройствами, например, по сравнению с устройством по патенту [3], что позволяет достигать высокой чувствительности при измерениях переменного тока в высоковольтных сетях.

Во-вторых, при многократном отражении поляризованного света внутри магниточувствительного элемента в двух взаимноортогональных плоскостях происходит практически полная компенсация дополнительного изменения азимута линейной поляризации света, что исключает необходимость производить вычисления и учет поправок в результат измерения тока.

В-третьих, конструкция предлагаемой ячейки Фарадея компактна, представляет собой монолитный герметичный блок с незначительным количеством сухого воздуха, что полностью предотвращает появление запотевания при экстремальных условиях эксплуатации.

В-четвертых, волоконные световоды 1 и 8 могут быть многомодовыми, а их длины могут быть практически любыми, в том числе равными высоте высоковольтного изолятора.

В-пятых, применение волоконных световодов для передачи света ячейке Фарадея и от нее позволяет освободить место внутри полого высоковольтного изолятора для размещения в нем резистивного или емкостного делителей для одновременного измерения тока и напряжения высоковольтной сети.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Гуртовцев А.Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока // Новости электротехники. - 2009. - №6.

2. Патент РФ №123965 (полезная модель).

3. Патент РФ №171401 (полезная модель).

4. Губин В.П., Старостин Н.И., Пржиялковский Я.В. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока // Фотоника. - 2018. - Т. 12, №7(75).

5. Губин В.П. и др. Использование волоконных световодов типа spun в датчиках тока // Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36, №3.

6. Шерклифф У. Поляризованный свет. - М.: Мир, 1965.

7. Патент РФ №2437108.

8. Пеньковский А.И. «ОМП». - 1986. - №5. - с. 9.

Изобретение относится к оптическим приборам, в которых используется магнитооптический эффект Фарадея для измерения электрического тока. Устройство содержит первый волоконный световод, формирователь параллельного пучка света диаметром D и установленные в нем первый поляризатор, стеклянную четырехугольную призму, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ± 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, линзу и второй волоконный световод. Поляризаторы приклеены к призме и покрыты тонкой призмой из того же сорта стекла. Первое основание четырехугольной призмы содержит две равные по величине плоскости, одна из которых свободна от зеркального покрытия и перпендикулярна боковым граням призмы, а другая покрыта зеркальным покрытием и наклонена в сторону второго основания и составляет с перпендикулярной плоскостью угол γ = arctg[0,5(D+2мм)/h]. Второе основание содержит точно такие же две поверхности, но обе покрыты зеркальными покрытиями, наклонная поверхность параллельна наклонной поверхности первого основания и расположена напротив плоскости первого основания, перпендикулярной боковым граням четырехугольной призмы. Изобретение позволяет повысить чувствительность измерений и их точность, предотвратить появление запотевания при эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях, содержащая первый подающий квазимонохроматический свет с длиной волны λ волоконный световод, формирователь параллельного пучка света диаметром D и установленные в нем последовательно по ходу лучей первый поляризатор, магниточувствительный элемент, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, выполненный из оптического стекла с показателем преломления n_λ в виде четырехугольной призмы высотой h с зеркальными покрытиями на ее основаниях, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фокусирующая свет линза и второй волоконный световод, подающий свет на фотоприемное устройство, причем первый и второй поляризаторы приклеены на свободной от зеркального покрытия поверхности первого основания и покрыты дополнительной тонкой призмой из того же сорта стекла с показателем преломления n_λ, полированные грани которой образуют с ее основанием равные углы θ = arcsin{n_λsin[arctg(l/L)]}, где L - путь, пройденный светом в призмах, а l - расстояние между центрами входящего в призму и выходящего из нее пучками света, отличающаяся тем, что первое основание четырехугольной призмы содержит две равные по величине плоскости, одна из которых свободна от зеркального покрытия и перпендикулярна боковым граням призмы, а другая покрыта зеркальным покрытием и наклонена в сторону второго основания и составляет с перпендикулярной плоскостью угол γ = arctg[0,5(D+2 мм)/h], второе основание содержит точно такие же две поверхности, но обе покрыты зеркальными покрытиями, и выполнено так, что его наклоненная поверхность параллельна наклонной поверхности первого основания и расположена напротив перпендикулярной боковым граням плоскости первого основания.

2. Ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях по п. 1, отличающаяся тем, что с целью унификации и предотвращения запотевания оптики при экстремальных климатических условиях все оптические элементы ячейки вместе с наконечниками волоконных световодов заключены в монолитном герметичном корпусе из диамагнитного и диэлектрического материала, например стеклопластика, а длина волоконных световодов равна высоте полых высоковольтных изоляторов, то есть соответствует классу высоковольтной сети.