ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ Российский патент 2021 года по МПК G01R15/24 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых для измерения переменного электрического тока в высоковольтных сетях используется эффект Фарадея.

В настоящее время наиболее распространенными измерителями тока в высоковольтных сетях являются электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ИТТЭ) [1], которые содержат первичную обмотку из одного - двух витков фрагмента проводника высоковольтной линии, магнитопровод из трансформаторного железа и одну или две вторичные обмотки. Между первичной и вторичной обмотками находится изоляционный материал, например, трансформаторное масло или элегаз.

Вторичная обмотка обязательно нагружена комплексным сопротивлением, через которое протекает номинальный ток вторичной обмотки (обычно 1, 2 или 5А).

Если напряжение сети 330 кВ и выше, то ИТТЭ делают каскадными, то есть с несколькими магнитопроводами, у которых вторичная обмотка предыдущего магнитопровода является первичной обмоткой последующего.

Это снижает требования к изоляции между обмотками.

Существенными недостатками ИТТЭ являются:

- высокая пожароопасность в связи с возможным электрическим пробоями изоляции между обмотками;

- насыщение магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания;

- значительный расход меди для изготовления вторичных обмоток;

- неизбежный расход электроэнергии во вторичных обмотках;

- влияние на точность измерения тока величины нагрузки и числа подключенных ко вторичной обмотке регистраторов измеренного тока;

- аналоговый сигнал, характеризующий измеренный ток;

- большие габариты, вес и стоимость, особенно при напряжениях сети 330 кВ и более.

В качестве альтернативы ИТТЭ существует ряд устройств для измерения тока, принцип работы которых основан не на принципе электромагнитной трансформации тока, а на других физических принципах.

Наиболее удобными и перспективными являются измерители тока оптические, принцип работы которых основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в магниточувствительном изотропном веществе (стекле), находящемся в продольном (коаксиальном) магнитном поле (на эффекте Фарадея).

Суть эффекта состоит в следующем. Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент. Под действием продольного магнитного поля в таких веществах как стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции и между этими компонентами возникает разность фаз

где V_л, V_пр - фазовые скорости распространения левой и правой волн;

n_л, n_пр - коэффициенты преломления соответственно для левой и правой циркулярно поляризованных компонент;

L - путь, пройденный поляризованным светом в веществе вдоль напряженности магнитного поля;

λ₀ - длина волны света.

Если магниточувствительное стекло изотропно, то есть не обладает линейным двулучепреломлением [2], то на выходе из стекла циркулярная поляризация обеих компонент сохраняется и при их сложении получается опять линейно поляризованный свет, но с измененным азимутом поляризации на угол

где: - величина напряженности продольного магнитного поля, действующего на стекло;

V - постоянная Верде стекла;

L - путь, пройденный поляризованным светом в стекле;

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

N - число витков фрагмента проводника;

i - ток, протекаемый по фрагменту проводника;

k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние от стекла до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла.

Из формул (1, 2) видно, что для измерения тока i, протекаемого по проводнику высоковольтной линии, можно использовать два способа: способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации α или на измерении разности фаз δ₀.

Чаще всего используют первый способ, при котором на магниточувствительный элемент (стекло), находящийся в продольном магнитном поле, направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют изменение азимута линейной поляризации света, которое пропорционально напряженности магнитного поля, и, следовательно, измеренному току i.

Известно простейшее устройство [3], реализующее этот способ. Оно содержит источник коллимированного света, первый линейный поляризатор, стеклянный стержень с полированными торцами, второй линейный поляризатор. Пусть плоскость пропускания второго поляризатора составляет с плоскостью пропускания первого поляризатора угол ±45°, а 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 ротатора [4]:

где α_max - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света, в соответствии с формулой (3).

Интенсивность света I на выходе устройства 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 [4] с плоскостями пропускания, соответственно 0° и 45°.

После перемножения матриц преобразования (5) находим первый параметр вектора Стокса, характеризующий интенсивность света I, после второго поляризатора

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

Однако такие простейшие устройства 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 [5].

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 между взаимоортагональными компонентами линейно поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Величина разности фаз 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 линейного 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, выполненный в виде одномодового волоконного световода, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразования

где р=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 о эффекте Фарадея (о угле поворота α) и, соответственно, вносится ошибка в результаты измерения тока.

Для устранения этого существенного недостатка в работах [6, 7] предложено в качестве магниточувствительного элемента ячейки Фарадея использовать spun-волокно и вместо линейно поляризованного света в spun-волокно 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 [6]. 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 таком известном устройстве используется способ измерения разности фаз (1) между компонентами с правой и левой циркуляцией поляризованного света. Практическая реализация этого способа [6] 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 оптический измеритель переменного тока [8], который является прототипом предлагаемому устройству.

Это известное устройство содержит источник света 1 (фиг. 1), первый подающий свет многомодовый волоконный световод 2, коллимирующую линзу 3, формирующую параллельный пучок света диаметром D, первый линейный поляризатор 4, магниточувствительный элемент, выполненный из оптического стекла с высокой постоянной Верде в виде четырехугольной призмы 5 высотой h₁, находящейся в продольном магнитном поле фрагмента проводника 6 высоковольтной линии, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающую линзу 8, второй многомодовый волоконный световод 9, фотоприемник 10, и электронный блок 11.

С целью многократного прохождения поляризованного пучка света общего пути L₁, например, L₁=4h₁, прямоугольная призма 5 содержит одно зеркальное покрытие 12 в виде полоски в середине первого основания призмы 5 и два зеркальных покрытия на полированных плоскостях 13, 14 второго основания призмы 5, наклоненные к плоскости первого основания под углами

Известное устройство [8] работает следующим образом.

Свет от источника 1 (фиг. 1) по волоконному световоду 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, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.

Если ток по проводнику 6 не протекает и магнитное поле вокруг проводника 6 отсутствует, то в процессе прохождения света через призму 5 его состояние поляризации не меняется. Поскольку азимут плоскости пропускания поляризатора 7 отличается от плоскости пропускания поляризатора 4 на угол ±45°, то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью

где I₀ - интенсивность света источника 1;

R - общий коэффициент отражения;

τ - общий коэффициент пропускания всех элементов оптики.

Если по шине 6 протекает переменный ток i=i_maxsinωt частоты сети (ω=50 Гц), то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью

где: α_max=H_maxVL₁cosβ - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой 5;

V - постоянная Верде материала призмы 5;

L₁ - общая длина пути света в призме 5;

β - угол между направлением распространения света и магнитными силовыми линиями поля.

Фотоприемник 10 работает в линейном режиме, поэтому световой поток I фотоприемником преобразуется в электрический сигнал

где U₀ - постоянная составляющая электрического сигнала фотоприемника 10.

В электронном блоке 11 вычисляется отношение Q переменной составляющей

к постоянной составляющей U₀

а затем вычисляется искомый ток i, протекаемый по проводнику 5, по формуле

где М - коэффициент, характеризующий эффективность использования магнитного поля.

Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом табло электронного блока 11 и с помощью интерфейса транслируется на другие внешние устройства.

Данное известное устройство превосходит другие так называемые оптические трансформаторы тока тем, что в качестве магниточувствительного элемента используется оптическое стекло, а волоконные световоды используются только для передачи неполяризованного света.

Однако, оно обладает некоторыми ограничениями в процессе эксплуатации.

Во-первых, согласно формул (17), (18) амплитуда приращения угла поворота плоскости поляризации α_max должна быть всегда меньше ±45°. Так, если при номинальном токе i_н угол поворота α_max ≈ 5° (предпочтительный режим работы на линейном участке кривой Q=f(α)), то при броске тока в сети, например в результате короткого замыкания (i_кз≥10i_н), угол α_кз>50°, что приводит к нарушению принципа работы устройства и к потери информации о истинном значении тока.

Во-вторых, первоначально настраивая измеритель тока оптический на максимальный ток i_н в реальных условиях измеряемый ток может быть намного меньше ожидаемого, что приводит к понижению точности измерений по сравнению с настройками для малых токов.

В-третьих, с увеличением величины номинального тока требуется увеличение сечения фрагмента проводника (соленоида), т.е. требуется его замена, что в процессе монтажа измерителя тока оптического на объекте неудобно.

Предлагается новый измеритель тока оптический двухканальный, свободный от упомянутых недостатков.

Измеритель тока оптический двухканальный содержит точный канал, в котором установлены источник света, первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллимирующую линзу, первый поляризатор, магниточувствительный элемент в виде стеклянной прямоугольной призмы высотой h₁ с зеркальными покрытиями для обеспечения многократного прохождения поляризованного света общего пути L₁, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающую линзу, второй многомодовый волоконный световод, фотоприемник, предварительный усилитель, блок обработки сигнала, микропроцессор с индикатором результатов измерений и интерфейсом.

С целью расширения диапазона измерений тока и гарантированного обеспечения формирования сигнала для срабатывания релейной защиты при коротком замыкании непосредственно возле магниточувствительного элемента точного канала установлен дополнительный магниточувствительный элемент грубого канала тоже в виде стеклянной прямоугольной призмы высотой h₂<h₁, но без зеркальных покрытий. Во втором грубом канале установлены второй источник света, вторая пара многомодовых волоконных световодов (подающий и принимающий свет), второй фотоприемник, второй электронный блок.

Далее подробно описывается предлагаемое устройство и иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока по патенту РФ ПМ №171401.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого измерителя тока оптического двухканального.

На фиг. 3 показана оптическая схема точного канала предлагаемого измерителя тока оптического двухканального.

На фиг. 4 показана оптическая схема второго грубого канала предлагаемого устройства.

На фиг. 5 показана структурная схема электронного блока.

На фиг. 6 показан фрагмент проводника высоковольтной линии в виде одного полного витка из плоской медной шины с накладками.

На фиг. 7 показана конструкция накладки.

На фиг. 8 показан вариант исполнения фрагмента проводника в виде двух витков, соединенных последовательно.

На фиг. 9 показана конструкция одного витка двухвиткового фрагмента проводника с накладкой.

Предлагаемый измеритель тока оптический двухканальный содержит точный канал измерения тока, в котором установлены последовательно источник света 1 (фиг. 2), первый подающий свет многомодовый волоконный световод 2, коллимирующая линза 3, первый поляризатор 4, магниточувствительный элемент в виде стеклянной прямоугольной призмы 5 высотой h₁, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника 6 высоковольтной линии, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающую линзу 8, второй многомодовый волоконный световод 9, фотоприемник 10 и электронный блок 11.

Для обеспечения многократного, например, четырехкратного, прохождения поляризованного света в прямоугольной призме 5 (фиг. 2, фиг. 3) точного канала нанесены зеркальные покрытия 12, 13, 14. Зеркальное покрытие 12 нанесено в виде полоски на середину первого основания призмы 5, а зеркальные покрытия 13, 14 нанесены на наклоненные поверхности второго основания призмы 5.

Непосредственно рядом с магниточувствительным элементом (призмой) 5 точного канала (фиг. 2) установлен дополнительный магниточувствительный элемент 15 грубого канала тоже в виде стеклянной прямоугольной призмы 15 (фиг. 4) высотой h₂<h₁ с длиной пути света L₂<L₁ но без зеркальных покрытий. На полированных основаниях призмы 15 наклеены поляризаторы 16, 17. Поляризатор 16 защищен покровной плоскопараллельной пластинкой 18, а поляризатор 17 заклеен между призмой 15 и призмой 19 типа БР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением призмы 19. Плоскость пропускания поляризатора 16 составляет угол ±45° с плоскостью пропускания поляризатора 17.

Во втором грубом канале установлены второй источник света 20, (фиг. 2, фиг. 4) второй подающий свет многомодовый волоконный световод 21, коллимирующая линза 22, собирающая свет линза 23, второй многомодовый волоконный световод 24, подающий свет на второй фотоприемник 25.

В электронном блоке 11 (фиг. 2, фиг. 5) предлагаемого устройства также имеется два канала. Точный канал измерений содержит фотоприемник 10 (фиг. 5), предварительный усилитель 26, блок обработки сигнала 27, подключенный к первому входу микропроцессора 28, индикатор результатов измерений 29, интерфейс 30 и блок питания 31.

Дополнительный грубый канал измерений содержит фотоприемник 25, предварительный усилитель 32, блок обработки сигнала 33, который подключен ко второму входу микропроцессора 28. К предварительному усилителю 32 подключено пороговое устройство триггерного типа 34 с усилителем мощности 35, который подключен к микропроцессору 28 и со входом релейной защиты (на чертеже не показано).

Фрагмент проводника высоковольтной линии выполнен в виде одного или двух полных витков из плоской медной шины.

В качестве примера на фиг. 6 показан вариант исполнения фрагмента проводника в виде полного витка, изготовленного из медной шины ШММ а=10 мм, (ГОСТ 434-78 и ГОСТ 859-2001) для измерения тока i_н=3000A.

Внутренний диаметр d витка фрагмента проводника 6 выбран из расчета размещения в нем призм 5 и 15 (фиг. 6) в общей оправе 35 и обеспечения зазора между оправой призм и фрагмента проводника 6 для движения воздуха для предотвращения нагрева призм 5, 15.

С целью формирования выводов (площадок) длиной (фиг. 6) для подсоединения проводников высоковольтной сети перед формированием полного витка на концах заготовки шины толщиной а=10 мм, шириной и длиной выполнены вырезы шириной и длиной

Для сохранения общего сечения меди фрагмента проводника 6 на его выводах напаяны и проварены по контуру накладки 36 и 37 (фиг. 6, 7),.изготовленные также из медной шины ШММ толщиной а=10 мм и шириной

На фиг. 8 в качестве примера показан вариант исполнения фрагмента проводника 6 в виде двух одинаковых витков 38, 39, соединенных последовательно перемычкой 40, которые изготовлены из медной шины ШММ толщиной а=8 мм и шириной (ГОСТ 434-78). Этот вариант конструкции обеспечивает более высокую точность измерений тока в диапазоне до i_н=1200А.

На фиг. 9 показана конструкция одного витка 38 с накладкой 41. Накладка 41 припаяна к витку 38 припоем и дополнительно приварена по торцам сваркой.

Внутренний диаметр двух витков 38, 39 (фиг. 8) и внутренний диаметр одного витка фрагмента проводника 6 (фиг. 6) одинаковы и равны d. Этим достигается универсальность при монтаже в зависимости от величины номинального измеряемого тока i_н=1200А или i_н=3000А.

Предлагаемый измеритель тока оптический двухканальный работает следующим образом.

Свет от источника 1 (фиг. 2) точного канала по волоконному световоду 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 4, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.

Если по фрагменту проводника в виде полного витка шины 6 протекает переменный ток частоты ω (50 Гц)

то согласно формул (2, 15) фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью

Световой поток I₁ фотоприемником 10 преобразуется в электрический сигнал

где: - максимальный угол поворота плоскости поляризации света призмой 5;

L₁ - путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме 5.

После предварительного усиления усилителем 26 (фиг. 5) блок обработки сигнала 27 разделяет постоянную составляющую сигнала (20) и переменную составляющую

Постоянная составляющая подается на один вход микропроцессора 28, а переменная составляющая детектируется, сглаживается и подается на второй вход микропроцессора 28.

Микропроцессор 28 вычисляет отношение Q сигнала, пропорциональное переменной составляющей (21) к постоянной составляющей

затем вычисляет искомый ток i, протекаемый по фрагменту проводника 6 по формуле (19).

Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом индикаторе 29 и с помощью платы интерфейса 30 транслируется на внешние устройства для регистрации и управления.

Одновременно свет интенсивностью I₂≈I₁ от источника 20 (фиг. 2, фиг. 4) второго грубого канала по многомодовому световоду 21 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 22. Вышедший из оптического волокна 21 расходящийся пучок света преобразуется линзой 22 в коллимированный пучок света так же диаметром D. Далее свет проходит пластинку 18, поляризатор 16, становится линейно поляризованным, проходит один раз четырехугольную дополнительную призму 15, поляризатор 17, дважды отражается от полированных поверхностей призмы 19 типа БР-180°, линзой 23 (фиг. 4) собирается на торце волоконного световода 24 и передается фотоприемнику 25.

Световой поток 1₂ фотоприемником 25 преобразуется в электрический сигнал

где: - максимальный угол поворота плоскости поляризации света призмой 15 (фиг. 2);

L₂ - путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме 15.

После предварительного усиления усилителем 32 (фиг. 5) блок обработки сигнала 33 разделяет постоянную составляющую сигнала (23) U₁= и переменную составляющую

Уровень постоянной составляющей грубого канала равен или близок к уровню постоянной составляющей точного (основного) канала А уровень (амплитуда) переменной составляющей грубого канала (23) в несколько раз меньше амплитуды точного канала (21) в связи с тем, что при прочих равных условиях путь L₂, пройденный светом в призме 15 (фиг. 2), в несколько раз (например, в 5 раз) меньше пути L₁, пройденного в призме 5.

Так, например, если при номинальном токе в сети i_н угол поворота плоскости поляризации α_1max в точном канале обычно находится в пределах от 5 до 10°, то в грубом канале - всего 1°-2°.

Следовательно, если произойдет бросок тока в сети, например, в результате короткого замыкания (i_кз>10i_н), то в точном канале произойдет нарушение принципа работы (α_1max >> 45°), а в грубом канале α_2max < 45° (α_2max от 5° до 10°) и нарушения работы измерителя тока оптического не происходит.

Кроме того в предварительном усилителе 32 грубого канала происходит нарастание сигнала переменной составляющей до уровня срабатывания порогового устройства 34 триггерного типа, который усиливается усилителем 35 и подается релейной защите для отключения сети.

Микропроцессор 28 запрограммирован так, что при угле α_1max ≤ 30°, когда отношение переменной составляющей к постоянной составляющей информация о измеренном токе i в высоковольтной сети поступает из первого (точного) канала, а с увеличением тока i информация о измеренном токе i поступает из дополнительного (грубого) канала.

Так, например, если в качестве фрагмента проводника высоковольтной линии используется шина 10×100 мм² в виде одного витка (фиг. 6), то при i_н=3000А α_1max=9° и Q=0,309, а при токе i ≈ 3i_н ≈ 10000А α_1max ≈ 30° и Q ≈ 0,87. To есть при превышении тока в сети более чем в 3 раза происходит автоматическое переключение каналов с первого на второй (грубый) и измерение тока продолжается без потери информации. Разумеется, при этом учитывается коэффициент где L₁ - путь, пройденный светом в призме 5 (фиг. 2), a L₂ - путь, пройденный светом в призме 15.

То же самое происходит и в том случае, когда в качестве фрагмента проводника используется шина 8×60 мм² в виде двух витков (фиг. 8), когда i_н=1200А. Так, при i_н=1200А α_1max=9° и Q=0,309, а при i_н=4000А α_1max=30° и Q=0,87. И в этом случае при превышении тока i_н примерно в три раза (i ≈ 3,33⋅1200A ≈ 4000A) происходит автоматическое переключение каналов, а срабатывание релейной защиты еще не происходит. Срабатывание релейной защиты произойдет при достижении тока короткого замыкания.

Таким образом, добавление в известное устройство [8] дополнительного магниточувствительного элемента и организация второго дополнительного грубого канала позволяет производить измерение тока с высокой точностью в широком диапазоне измерения тока в высоковольтной сети и обеспечить гарантированное срабатывание релейной защиты только тогда, когда произойдет короткое замыкание (i_кз>10i_н).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. ГОСТ 7746-2001 Трансформаторы тока. Общие технические условия.

2. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976, с. 618-620.

3. Годжаев Н.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965, с. 301.

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

5. Патент РФ №2321000, G01R 15/24.

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

7. Губин В.П. и др. Использование волоконных световодов типа spun в датчиках тока II квантовая электроника. - 2006. - т. 36. №3.

8. Патент РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к поляризационным приборам, в которых для измерения электрического тока в высоковольтных сетях используется эффект Фарадея. Сущность: измеритель тока оптический двухканальный содержит два измерительных канала: точный и грубый. Каждый канал содержит источник света, волоконный световод, коллиматор, первый поляризатор, стеклянную призму, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, второй волоконный световод и фотоприемник. Обе стеклянные призмы установлены в коаксиальном магнитном поле полного витка фрагмента проводника, выполненного, например, из медной широкой шины в виде одного или двух витков. Путь, пройденный поляризованным светом в стекле точного канала, в несколько раз больше пути, пройденного светом в грубом канале. Технический результат: увеличение диапазона измерения тока при высокой точности измерений, обеспечение сигнала для уверенного срабатывания релейной защиты при токах короткого замыкания. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Измеритель тока оптический двухканальный, содержащий точный канал измерения тока, в котором установлены последовательно источник света, первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллимирующая линза, первый поляризатор, магниточувствительный элемент в виде стеклянной прямоугольной призмы высотой h₁ с зеркальными покрытиями для обеспечения четырехкратного прохождения поляризованного света общего пути L₁=4h₁ и находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающую линзу, второй многомодовый волоконный световод, фотоприемник и электронный блок, содержащий предварительный усилитель, блок обработки сигнала, микропроцессор с индикатором результатов измерений и интерфейсом, отличающийся тем, что рядом с магниточувствительным элементом точного канала установлен дополнительный магниточувствительный элемент грубого канала тоже в виде стеклянной прямоугольной призмы, но без зеркальных покрытий, высотой h₂<h₁ с общей длиной пути света L₂<L₁, на первом основании которого наклеены первый дополнительный линейный поляризатор и покровная стеклянная плоскопараллельная пластинка, на втором полированном основании наклеены второй дополнительный линейный поляризатор и призма БР-180° так, что плоскость пропускания второго дополнительного поляризатора совпадает с главным сечением призмы БР-180° и составляет угол ±45° с плоскостью пропускания дополнительного первого поляризатора, а также во втором грубом канале установлены второй источник света, второй подающий свет на призму многомодовый волоконный световод, второй многомодовый световод, подающий свет на фотоприемник, второй предварительный усилитель и второй блок обработки сигналов, подсоединенный к микропроцессору.

2. Измеритель тока оптический двухканальный по п. 1, отличающийся тем, что с целью регулирования диапазона и точности измерения тока фрагмент проводника высоковольтной линии выполнен в виде соленоида из одного или двух полных витков широких шин с вырезами для формирования выводов.