ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ Российский патент 2022 года по МПК G01R15/24 

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

Пока наиболее распространенными измерителями тока в высоковольтных сетях являются традиционные электромагнитные измерительные трансформаторы тока, которые содержат первичную обмотку из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии, намотанных на магнитопровод из трансформаторного железа и несколько вторичных обмоток. Одна вторичная обмотка содержит много витков для коммерческого учета электроэнергии, а остальные - небольшое количество витков для подключения аппаратуры релейной защиты.

Вторичные обмотки обязательно нагружены эталонными комплексными сопротивлениями. Между первичной и вторичными обмотками находится изоляционный материал, например, трансформаторное масло или элегаз. Существенными недостатками традиционных трансформаторов тока являются:

- высокая пожароопасность в случаях пробоя изоляции между обмотками;

- насыщение магнитопровода при действии ударного тока (апериодической составляющей тока);

- большая погрешность измерения малых токов из-за нелинейной характеристики магнитной индукции трансформаторного железа;

- большие габаритные размеры, вес, стоимость, особенно при напряжениях выше 110 кВ.

Удобными и перспективными являются измерители тока оптические, принцип работы которых основан на явлении эффекта Фарадея.

Суть эффекта состоит в следующем [1]. Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент с правой и левой циркуляцией.

Под действием продольного магнитного поля, в прозрачном изотропном веществе, например, в стекле возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции. Между этими компонентами возникает разность фаз

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

n_л, n_пр - показатели преломления света для левой и правой циркуляции поляризованных компонент;

L - путь, пройденный поляризованным светом в веществе (стекле) вдоль силовых линий магнитного поля;

λ - длина волны света.

Если стекло изотропно, то есть не обладает линейным двулучепреломлением, то на выходе из стекла циркулярные поляризации обеих компонент сохраняются и при их сложении получается опять линейно поляризованный свет, но с измененным азимутом поляризации на угол

где - вектор напряженности магнитного поля, действующего на стекло;

V_B - постоянная Верде;

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 измерения разности фаз δ_λ согласно формуле (1) с помощью интерферометра;

- способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации а согласно формуле (2) с помощью поляриметра.

Известно устройство для измерения электрического тока [2, 3], принцип работы которого основан на измерении фазового сдвига δ_λ между циркулярно поляризованного света левой и правой циркуляции согласно формуле (1). Устройство содержит волоконный источник света, максимум спектральной плотности излучения которого соответствует длине волны λ=1550 нм (ИК диапазон).

Далее по ходу распространения света установлены: волоконный световод, линейный волоконный поляризатор, устройство разделения линейно поляризованного света на два пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации света, четвертьволновое устройство (из волокна со встроенным двулучепреломлением), магниточувствительный элемент в виде нескольких витков spun-волокна, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети, зеркало, второй волоконный световод, фотоприемник, который подсоединен к электронному блоку.

После прохождения света по spun-волокну в прямом и обратном направлениях после поляризатора световые волны интерферируют.

Главным достоинством известного устройства для измерения электрического тока [3] является использование двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент света с правой и левой циркуляциями, что позволяет после отражения от зеркала частично компенсировать линейное двулучепреломление, вызванное механичесикми или термическими нагрузками в магниточувствительном элементе (spun-волокне).

Однако это известное устройство [3] сложное, требует особых волоконных световодов с встроенным двойным лучепреломлением и spun-волокно, особых пъезомодуляторов и линий задержек, а также содержит ряд сварных соединений световодов. Кроме того сравнивая эффект Фарадея в стекле при использовании источника света, излучающего свет в ИК области (λ₁=1550 нм) с эффектом Фарадея в том же стекле при работе в видимой области спектра (λ₂≈630 нм) находим, что видимой области спектра эффект Фарадея в 6 раз больше. Это означает, что в видимой области спектра можно достигать более высокой чувствительности и точности измерения.

Существуют другие измерители тока в высоковольтных сетях, в которых используется второй способ реализации эффекта Фарадея, а именно способ, при котором на стекло, находящееся в продольном магнитном поле, направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют азимут (угол поворота) линейно поляризованного света α, изменение которого пропорционально напряженности магнитного поля и, следовательно, пропорционально току i.

Типичным представителем таких устройств является оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [4], который содержит источник света 1 (фиг. 1) и установленные последовательно первый волоконный световод 2, коллимирующая линза 3, линейный поляризатор 4, стеклянный цилиндр 5 размещенный в продольном магнитном поле, образованном фрагментом проводника высоковольтной линии 6, выполненном, например, в виде соленоида 6. Соленоид 6 и цилиндр 5 закреплены на верхнем фланце полого высоковольтного изолятора 7 высотой h. Далее установлены второй поляризатор 8, собирающая свет линза 9, второй световод 10, фотоприемник 11, электронный блок 12.

Один торец цилиндра 5 перпендикулярен его образующей, полирован и на его поверхности нанесено зеркальное покрытие, другой торец цилиндра 5 содержит входную и выходную полированные поверхности, выполненные наклонными, образующие между собой ребро, пересекающее ось цилиндра 5, и составляющие с плоскостью второго торца цилиндра равные углы

где D - высота цилиндра 5;

h - высота цилиндра 5.

Плоскость пропускания первого поляризатора 4 перпендикулярна ребру цилиндра 5, будем ее считать горизонтальной, а плоскость пропускания второго поляризатора 8 составляет угол 45° с плоскостью пропускания поляризатора 4.

Известный оптический измеритель переменного тока [4] работает следующим образом. Свет от источника 1 (фиг. 1) по многомодовому волоконному световоду 2 подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Затем после линзы 3 в виде коллимированного пучка света проходит линейный поляризатор 4 и становится линейно поляризованным с плоскостью поляризации перпендикулярной ребру цилиндра 5. Далее свет дважды проходит стеклянный цилиндр 5, линейный поляризатор 8, плоскость пропускания которого составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, и линзой 9 фокусируется на входном торце волоконного световода 10. По световоду 10 свет передается фотоприемнику 11.

Если ток i по проводнику 6 не проходит и магнитное поле вокруг проводника 6 отсутствует, то интенсивность I света, воспринимаемая фотоприемником 11, равна

где I₀ - интенсивность света источника 1;

τ - коэффициент пропускания света оптического тракта.

Если по проводнику 6 протекает переменный ток i=i_maxsinωt частоты сети ω=50 Гц, то

Фотоприемник 11 преобразует свет в электрический сигнал

Электронный блок 12 вычисляет отношение переменной составляющей U_~=U₀ [sin(2α_maxsinωt)] к постоянной U₌=U₀

а затем вычисляется искомый ток i, протекаемый по проводнику 6, по формуле

где N=3 - число витков проводника 6;

V - постоянная Верде стекла цилиндра 5;

L - длина пути света в цилиндре 5;

k - коэффициент, учитывающий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля проводника 6.

При всех преимуществах данное известное устройство имеет существенный недостаток, который проявляется в процессе его эксплуатации в жестких климатических условиях. Так, например, при температурах окружающего воздуха от минус 50 до плюс 50°С в различных точках стеклянного цилиндра 5 и в его оправе могут появляться градиенты температуры. Это приводит к появлению тепловых или механических нагрузок (натяжений) в стекле призмы 5, возникновению линейного двойного лучепреломления и дополнительной неконтролируемой разности фаз [5]:

где λ - длина волны света;

С - фотоупругий коэффициент стекла [5];

(σ₁ - σ₂) - разность касательных напряжений;

L - длина пути света в цилиндре 5;

(n_e - n₀) - разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной компонент поляризованного света.

В этом случае стеклянный цилиндр 5 подобен фазовой пластинке с произвольной ориентацией главных осей ϕ, вносящей разность фаз δ_g.

В общем случае эта эквивалентная фазовая пластинка может быть представлена табличной матрицей общего вида [6].

Но учитывая то, что фотоупругий коэффициент С стекла мал и, как показали исследования, вносимая нагрузками разность фаз δ_g ≤ 5°, матрица стеклянного цилиндра 5 как эквивалентная фазовая пластинка может быть представлена в виде

После двукратного прохождения горизонтально линейно поляризованного света через цилиндр 5 на его выходе свет будет характеризоваться вектором Стокса

Из выражения (11) видно, что при двукратном прохождении линейно поляризованного света через цилиндр 5 с натяжениями линейно поляризованный свет преобразуется в эллиптически поляризованный, причем эллиптичность удваивается. После поляризатора 8 с плоскостью пропускания +45° первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света I, будет иметь вид

Сравнивая формулы (4) и (12), видим, что с появлением в стекле цилиндра 5 термических или механических нагрузок постоянная составляющая интенсивности света I изменяется, причем неконтролируемым образом, потому что направление главных осей ϕ может быть произвольным.

Если по соленоиду 6 протекает переменный ток с частотой ϕ=50 Гц, то с появлением эффекта Фарадея стеклянный цилиндр приобретает свойство ротатора [6]

где α - угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света согласно формуле (2);

- коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 5 для горизонтально поляризованного света.

В этом случае матрицу цилиндра 5 можно представить произведением матрицы (10) и матрицы ротатора (13), то есть матрицей

где α=α_maxsinωt.

В этом случае после перемножения вектора Стокса характеризующего неполяризованный свет на выходе линзы 3, и матриц первого поляризатора стеклянного цилиндра второго поляризатора получаем первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света I₁ после поляризатора 8

А отношение Q₁ переменной составляющей к постоянной составляющей будет характеризоваться зависимостью

Сравнивая формулы (7) и (16), и учитывая формулу (8), видим, что термические или механические нагрузки в стекле цилиндра 5, вызывающие появление в нем линейного двулучепреломления и превращения цилиндра 5 в эквивалентную фазовую пластинку с параметрами ϕ и δ_g, непосредственно влияют на точность измерения тока i в проводнике 6. Следует заметить, что если второй поляризатор 8 развернуть на 90° так, чтобы его плоскость пропускания по отношению к первому поляризатору 4 была не +45°, а -45°, то на выходе поляризатора 8 интенсивность света I₂ будет изменяться по закону

А отношение Q₂ будет характеризоваться зависимостью

Сопоставляя формулы (15) и (17), а также (16) и (18) видно, что при смене азимута пропускания второго поляризатора с +45° на -45° вносимая линейным двулучепреломлением погрешность меняет свой знак на противоположный. А это означает, что если вместо простого поляризатора 8 использовать призму Волластона, которая падающий на нее свет разделяет на два пучка с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, то суммируя и вычитая выражения (15) и (17), характеризующие интенсивности света I₁ и I₂, можно добиться компенсации ошибки измерения тока, вносимой натяжениями в стекле цилиндра 5.

Действительно, если вычислить среднеарифметическое значение Q₁ и Q₂, то получим

что говорит о полной компенсации погрешности, вызванной линейным двулучепреломлением в стекле цилиндра 5.

Известен измеритель тока оптический универсальный по патенту РФ №2700288, в котором в ячейке Фарадея вместо второго простого поляризатора используется призма Волластона [7], который может служить прототипом предлагаемому устройству.

Измеритель тока оптический универсальный [7] содержит полый высоковольтный изолятор в виде покрышки, в нижней части которого установлен источник света в виде лазерного модуля и расположенные по ходу лучей простой поляризатор, магнитооптический элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырехугольной стеклянной призмы типа ВР-180°, находящейся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети. Фрагмент проводника прикреплен к верхнему фланцу изолятора. Далее по ходу световых лучей установлены второй поляризатор в виде призмы Волластона. Плоскости поляризации каждого из разделенных призмой Волластона пучков составляют углы ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора. После призмы Волластона установлена собирающая свет линза, в фокусе которой находятся две фоточувствительные площадки дифференциального фотодиода. Собирающая свет линза имеет фокусное расстояние f', удовлетворяющее условию

где Δх - расстояние между центрами фоточувствительных элементов дифференциального фотоприемника,

2β - угол разведения пучков света призмой Волластона.

Каждый фотоприемник преобразует интенсивности света I₁ и I₂ в электрические сигналы U₁ и U₂, и через предварительные усилители подключены к сумматорам, в одном из которых сигналы U₁ и U₂ вычитываются, а в другом - суммируются. Сумматоры подключены соответственно к первому и второму входу микропроцессора.

Известный измеритель тока оптический универсальный [7] работает следующим образом.

Коллимированный пучок света от лазерного модуля проходит через первый поляризатор и становится линейно поляризованным, плоскость поляризации которого параллельна широкой боковой грани стеклянной призмы типа BP-180°, т.е. параллельна плоскости падения света на ее зеркальные поверхности. Линейно поляризованный свет проходит внутреннюю полость изолятора, 4 раза проходит призму BP-180°, второй раз проходит внутреннюю полость изолятора и попадает на второй поляризатор, выполненный в виде призмы Волластона. При прохождении пучка света через призму Волластона свет разделяется под углом 2β на два линейно поляризованные пучки света, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны и составляют углы ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора.

Разведенные на угол 2β пучки света проходят линзу с фокусным расстоянием f' и в ее фокальной плоскости формируются две световые зоны, расстояние между центрами которых Δх равно расстоянию между центрами фоточувствительных слоев дифференциального фотоприемника и удовлетворяют условию

Коллимированный монохроматический пучок света от источника, как правило, частично поляризован с произвольным азимутом поляризации ε, поэтому его излучение можно представить вектором Стокса

где: I₀ - интенсивность света источника;

р - степень поляризации света источника.

После первого поляризатора свет становится линейно поляризованным в горизонтальной плоскости, и его можно представить вектором

Если ток i по фрагменту проводника не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму BP-180° нет механических или локальных термических нагрузок, то по воздействию на горизонтально поляризованный свет стеклянную призму можно представить матрицей преобразования изотропного вещества

где - суммарный модуль комплексного коэффициента отражения для параллельной составляющей линейно поляризованного света после трехкратного отражения на границах стекло-зеркальное покрытие в призме BP-180°.

В этом случае после призмы BP-180° получаем свет, характеризующийся вектором Стокса

а после призмы Волластона в фокальной плоскости собирающей свет линзы (на поверхности чувствительных слоев дифференциального фотоприемника) интенсивности разделенных призмой Волластона пучков света I₁ и I₂ будут равны.

Величины интенсивностей света I₁ и I₂ характеризуется первыми параметрами векторов Стокса, которые можно найти из уравнения

После перемножения матриц находим

Усилители линейные, на выходе которых будут одинаковые по уровню сигналы

В результате на выходе одного из сумматоров получаем потенциал

индикатор будет показывать отсутствие тока i, т.е. нули.

А на выходе второго сумматора - сигнал, пропорциональный постоянной составляющей

Если по фрагменту проводника протекает постоянный ток i, то призму BP-180°, находящуюся в продольном магнитном поле, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей ротатора (13).

В этом случае интенсивности света I₁ и I₂, воспринимаемые чувствительными площадками фотоприемника, не будут равны и их можно представить уравнениями:

На выходах усилителей будут, соответственно, сигналы:

На выходе одного сумматора появляется сигнал

а на выходе второго сумматора будет постоянный уровень сигнала

Микропроцессор вычисляет отношение

и величину тока i по формуле (8), т.е.

Измеренная величина тока i индицируется на цифровом табло и транслируется внешним устройством с помощью цифрового интерфейса, например, RS-485.

Если по фрагменту проводника протекает переменный ток i=i_maxsinωt частоты сети ω=50 Гц, а на стеклянную призму BP-180° нет механических и термических воздействий, то стеклянную призму BP-180° можно представить матрицей

где α_max=H_maxVLcosβ - максимальное значение угла поворота плоскости поляризации.

В этом случае фоточувствительные площадки 17, 18 (фиг. 4) фотоприемников воспринимают свет интенсивностями:

Соответственно, на выходах предварительных усилителей будут электрические сигналы:

Переменные составляющие сигналов частоты ω находятся в противофазе, поэтому на выходе одного сумматора будет такая же постоянная составляющая для 2U₀, как в случае для постоянного тока (36), а на выходе другого сумматора будет разность сигналов

Микропроцессор вычисляет отношение Q и величину протекаемого тока по фрагменту проводника так же по формулам (7), (8) и транслируется по интерфейсу.

Основным достоинством этого известного устройства является то, что второй поляризатор выполнен в виде призмы Волластона, которая разделяет линейно поляризованный пучок света на две компоненты, то есть на два пучка света с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации +45° и -45° по отношению к первому поляризатору каждый из этих пучков света воспринимаются отдельными светочувствительными элементами площадками дифференциального фотодиода. Поэтому это устройство можно назвать - двухканальным, в котором на выходе лучей одновременно действуют два поляризатора с плоскостями пропускания +45° и -45° по отношению к первому поляризатору. А это означает, что в случае возникновения линейного двулучепреломления в стекле магнитооптического элемента ячейки Фарадея, то его воздействие можно скомпенсировать.

Однако это известное устройство обладает существенными недостатками.

Главным недостатком является невысокая надежность квантовых модулей. В работе энергетических установок открытых цифровых подстанций и линий электропередач (ЛЭП), работающих на открытом воздухе, надежность является одним из основных параметров. Другим недостатком является значительная чувствительность к вибрационным воздействиям. Дело в том, что с ростом класса ЛЭП по напряжению растет высота изолятора и увеличивается расстояние между источником света (квантовым модулем) и линзой, собирающей свет на чувствительных поверхностях фотоприемников.

Испытания опытного образца измерителя тока оптического, построенного по такой же схеме для ЛЭП напряжением 110 кВ (высота изолятора h≈1500 мм, длина хода лучей от источника света до собирающей свет линзы более 3200 мм) показали недопустимо большую модуляцию сигналов фотоприемников при механических воздействиях на изолятор. В реальных условиях эксплуатации измерителей тока особенно в ветреную погоду высоковольтные изоляторы подвергаются значительным механическим воздействиям со стороны проводников линий электропередач. Это является существенным недостатком. Кроме того, для нормальной работы известного устройства [7] требуется тщательная настройка оптики и балансировка сигналов усилителей. Дрейф сигналов во времени напрямую сказывается на точности измерения тока в высоковольтных сетях.

Предлагается новое устройство, свободное от упомянутых недостатков. Предлагается измеритель тока оптический для высоковольтных сетей, содержащий источник света и установленные последовательно первый волоконный световод, коллимирующую линзу, первый линейный поляризатор, стеклянную призму типа BP-180°, большая грань которой совпадает с плоскостью пропускания первого поляризатора и которая размещена в продольном магнитном поле в центре соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии. Соленоид прикреплен к верхнему фланцу полого высоковольтного изолятора высотой h. Далее в пучке света установлен второй поляризатор в виде призмы Волластона с углом разведения лучей 2β и плоскостью разведения, составляющей угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающую свет линзу, после которой установлен второй волоконный световод длинной фотоприемник, электронный блок с индикатором и соединителем интерфейса. После собирающей свет линзы установлен еще один волоконный световод также длинной и еще один фотоприемник причем так, что входные торцы световодов находятся в фокальной плоскости собирающей свет линзы и центры каждого из них совпадают соответственно с центрами сфокусированных пучков света, расстояние Δх между центрами входных торцов световодов удовлетворяют условию Δх=f'tg2β, где f' - фокусное расстояние собирающей свет линзы, 2β - угол разведения лучей призмы Волластона. Выходные торцы световодов расположены в непосредственной близости от фотоприемников. Каждый фотоприемник подключен к отдельному электронному каналу, содержащему соединенные последовательно дифференциатор, двухполупериодный выпрямитель, сглаживающий фильтр. Выходы этих каналов подключены к первому и второму входам микропроцессора. Кроме того, каждый фотоприемник подключен к отдельному сглаживающему фильтру (интегратору), выходы которых подключены к третьему и четвертому входам микропроцессора.

На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока по патенту РФ №2620927.

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

На фиг. 3 показана структурная схема электрического блока предлагаемого устройства.

Предлагаемый измеритель тока оптический двухканальный для высоковольтных сетей содержит источник света 1 (фиг. 2) и установленные последовательно первый волоконный световод 2, коллимирующую линзу 3, первый линейный поляризатор 4, стеклянную призму 5 типа BP-180°, большая грань которой совпадает с плоскостью пропускания первого поляризатора 4. Призма 5 размещена в продольном магнитном поле в центре соленоида 6, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии. Соленоид 6 прикреплен к верхнему фланцу полого высоковольтного изолятора 7 высотой h. Далее в параллельном пучке света установлен второй поляризатор 8 в виде призмы Волластона с углом разведения лучей 20 и плоскостью разведения, составляющей угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая свет линза 9, второй волоконный световод 10 длиной фотоприемник 11, электронный блок 12 с индикатором 13 и соединителем интерфейса 14.

После собирающей свет линзы 9 установлен еще один волоконный световод 15 так же длиной и еще один фотоприемник 16, причем так, что входные торцы световодов 10 и 15 находятся в фокальной плоскости собирающей свет линзы 9 и центры каждого из них совпадают соответственно с центрами сфокусированных пучков света. Расстояние Δх между центрами входных торцов световодов 10, 15 удовлетворяют условию (21)

где f' - фокусное расстояние линзы 9;

2β - угол разведения лучей призмы Волластона 8.

Выходные торцы световодов 10, 15 расположены в непосредственной близости от фотоприемников 11, 16.

Каждый фотоприемник 11 и 16 в отдельности подключен к отдельным электронным каналам 17, 18 (фиг. 3), содержащие соединенные последовательно предварительные усилители 19, 20, дифференциаторы С₂₁, R₂₂ и С₂₃, R₂₄, двухполупериодные выпрямители 25, 26, сглаживающие фильтры С₂₇, С₂₈. Выход канала 17 (емкость С₂₇) подключен к первому входу микропроцессора 29, а выход канала 18 (емкость С₂₈) подключен ко второму входу микропроцессора 29.

Кроме того, фотоприемник 11 подключен к отдельному интегратору, содержащий резистор R₃₀ и емкость С₃₁ а фотоприемник 16 подключен к интегратору, содержащему резистор R₃₂ и емкость С₃₃.

Емкость С₃₁ первого канала 17 через переменный резистор R₃₄ подключена к третьему входу микропроцессора 29, а емкость С₃₃ второго канала 18 через переменный резистор R₃₅ подключен к четвертому входу микропроцессора 29. Все элементы электрической схемы подключены к источнику стабилизированного питания 36.

Предлагаемый измеритель тока оптический двухканальный для высоковольтных сетей работает следующим образом.

Свет от источника 1 (фиг. 2) по многомодовому волоконному световоду 2 подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из волоконного световода 2 расходящийся неполяризованный свет проходит линзу 3 становится коллимированным, проходит поляризатор 4 и становится линейно поляризованным пучком света, плоскость поляризации которого совпадает с большой гранью призмы 5 (с плоскостью чертежа) и его можно представить вектором Стокса

где I₀ - интенсивность света источника 1;

τ₂ - коэффициент пропускания света первым волоконным световодом 2 с учетом угловой апертуры и виньетирования.

Если ток i по фрагменту проводника 6 не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 5 не воздействуют механические или локально термические нагрузки, то по воздействию на линейно поляризованный свет стеклянную призму 5 можно представить матрицей преобразования изотропного вещества (24). В этом случае после призмы свет остается линейно поляризованным в горизонтальной плоскости (в плоскости чертежа), а после призмы Волластона 8 в фокальной плоскости собирающей свет линзы 9 на торцах световодов 10, 15 сфокусированы два пучка света одинаковой интенсивности

а на выходе волоконных световодов 10,15 интенсивности света этих пучков могут отличаться на небольшую величину, например, из-за виньетирования. В этом случае можно записать

где τ₂, τ₁₀ и τ₁₅ - коэффициенты пропускания (передачи) света соответственно волоконных световодов 2, 10 и 15;

- суммарный коэффициент отражения света всех трех зеркальных покрытий призмы 5.

Фотоприемники 11, 16 преобразуют интенсивности света в электрические сигналы

где K₁ и K₂ - коэффициенты преобразования.

Если по фрагменту проводника 6 протекает переменный ток i=i_maxsinωt частоты сети ω=50 Гц, то на выходах фотоприемников 11, 16 и, соответственно, на выходах предварительных усилителей 19, 20 (фиг. 3) будут действовать электрические сигналы (41), (42):

где α_max - максимальная амплитуда изменения угла поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света под воздействием переменного магнитного поля фрагмента проводника 6.

Дифференциаторы C₂₁, R₂₂ и С₂₃, R₂₄ отфильтровывают переменные составляющие соответствующих сигналов каналов 17 и 18, что можно отобразить уравнениями

двухполупериодные выпрямители 25, 26 выпрямляют, а емкости С₂₇, С₂₈ сглаживают эти переменные составляющие, которые подаются соответственно на вход 1 и вход 2 микропроцессора 29.

Интеграторы R₃₀, С₃₁ и R₃₂, С₃₃ формируют опорные сигналы, которые равны постоянным составляющим сигналов (41) и (42):

Опорные сигналы и подаются соответственно на входы 3 и 4 микропроцессора 29.

Микропроцессор 29 вычисляет отношение

где U_2~ взято по абсолютной величине |U_2~|, потому что перед подачей на вход 2 микропроцессора сигнал подвергается выпрямлению и сглаживанию.

Из выражений (54) и (55) видно, что несмотря на то, что в общем случае сигналы вычисляемые процессором значения Q₁=Q₂=sin(2α_maxsinωt), потому что эти сигналы в каждом канале нормированные.

Если на стеклянную призму 5 действует градиент температур или механические нагрузки, то по воздействию на линейно поляризованный свет ее можно представить матрицей (14).

Учитывая то, что на практике α<5°, а эквивалентная фазовая пластинка, которую представляет призма 5 (фиг. 2), проявляет себя максимально при ϕ=45°, то для простоты расчетов стекло призмы 5 можно представить матрицей

где α=α_maxsinωt.

После первого прохождения горизонтально поляризованного света через призму 5 свет будет характеризоваться вектором Стокса

после второго прохождения поляризованного света через призму 5 - вектором Стокса

после третьего прохождения поляризованного света через призму 5 - вектором Стокса

после четвертого прохождения поляризованного света через призму 5 - вектором Стокса

Из выражения (60) видно, что после четырехкратного прохождения поляризованного света через призму 5 под воздействием продольного магнитного поля проводника 6 эффект поворота плоскости поляризации α возрастает в четыре раза, а под воздействием градиента температуры (или механических воздействий) разность фаз δ_g возрастает тоже в четыре раза и влияет на второй, третий и четвертый параметры векторы Стокса .

В результате прохождения такого поляризованного света (63) через призму Волластона 8 на выходе волоконных световодов 10 и 15 получим два пучка света с интенсивностями света:

где τ₁₀ и τ₁₅ - коэффициенты передачи света волоконных световодов 10 и 15 с учетом поглощения и виньетирования на их входных торцах.

После преобразований фотоприемниками 11, 16 интенсивностей света I₁ и I₂ в электрические сигналы на входах каналов 17, 18 (фиг. 3) будут действовать электрические сигналы:

В результате из (63) и (64) находим, что

Из выражения (65), (66) видно, что благодаря нормированию сигналов относительные величины Q₁ и Q₂ не зависят от τ₁₀ и τ₁₅, но существенно зависят от разности фаз δ_g, причем, если Q₁ уменьшается на величину 2,5sin²δ_g, то Q₂ на такую же величину увеличивается.

Следовательно, если вычислить среднеарифметическую величину Q=0,5(Q₁+Q₂), то влияние разности фаз δ_g на отношение переменной составляющей к постоянной составляющей сигналов будет скомпенсировано, то есть

На практике это осуществляется следующим образом.

Дифференциаторы С₂₁, R₂₂ и С₂₃, R₂₄ (фиг. 3) отфильтровывают переломные составляющие сигналов (63) и (64), что можно отобразить уравнениями

Двухполупериодные выпрямители 25, 26 выпрямляют, а емкости С₂₁, С₂₃ сглаживают эти переменные составляющие, которые подаются соответственно на вход 1 и вход 2 микропроцессора 29.

Постоянные составляющие сигналов (63), (64) формируются интеграторами R₃₀, С₃₁ и R₃₂, С₃₃ и в виде опорных сигналов подаются соответственно на вход 3 и вход 4 микропроцессора 29. Микропроцессор 29 вычисляет Q_l, Q₂ и среднеарифметическую величину Q=0,5 (Q₁+Q₂), а затем вычисляет искомый ток i, протекаемый по фрагменту проводника 6 по формуле (8).

Измеренный переменный ток i индицируется на цифровом табло 13 и транслируется с помощью платы интерфейса 14 внешним устройствам учета электроэнергии.

Предлагаемое устройство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными устройствами, решающие подобную задачу измерения переменного тока в высоковольтных сетях.

Главное преимущество состоит в том, что в предлагаемом устройстве линейно поляризованный пучок света четыре раза проходит стеклянную призму 5 (фиг. 2), на которую действует переменное магнитное поле и термические нагрузки, призмой Волластона 8 единый пучок света разделяется на два пучка света, которые воспринимаются отдельными фотоприемниками 11, 16 (фиг. 3) отдельных каналов 17, 18, сигналы фотоприемников 11, 16 в каждом канале подвергаются разделению на переменную и постоянную составляющие, потом микропроцессор 29 вычисляет отношения переменной составляющей к постоянной составляющей в каждом канале Q₁ и Q₂, находит их среднеарифметическую величину и только потом микропроцессор 29 по формуле (8) вычисляет измеренный ток i. Такой порядок действий и такая предлагаемая конструкция позволяют добиваться полной компенсации погрешности, вызванной воздействием термических или механических нагрузок на стекло призмы 5.

Кроме того, торцы волоконных световодов 2, 10, 15 снабжены специальными наконечниками и жестко крепятся в верху к жесткому корпусу ячейки Фарадея с призмой 5, а внизу - к корпусу электронного блока 12. Поэтому деформации изолятора 7 при воздействии на него внешних механических сил никак не влияют на работу предлагаемого измерителя тока.

Предлагаемое устройство найдет широкое применение в высоковольтных сетях, например, в цифровых подстанциях, а также в других энергетических установках.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Годжаев Н.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965. С. 301.

2. Патент РФ №2497135, G01R 15/24.

3. Губин В.П. и др. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока: физические основы и технические реализации, «Фотоника» т. 12 №7 и №8, 2018.

4. Оптический измеритель переменного тока. Патент РФ №2620927, G01R 15/24.

5. Фрохт М.М. Фотоупругость. Гостехиздат.М., Л., 1950.

6. Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов: «Машиностроение», М. 1969.

7. Измеритель тока оптический универсальный. Патент РФ №2700288, G01R 15/24.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых используется эффект Фарадея. Изобретение будет использовано в энергетике для измерения переменного тока в высоковольтных сетях среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого классов. Предлагаемый измеритель тока двухканальный для высоковольтных сетей содержит источник света, первый волоконный световод, коллиматор, первый поляризатор, призму BP-180°, установленную в центре соленоида с током сети и закрепленную на верхнем фланце полого изолятора, второй поляризатор в виде призмы Волластона, собирающую свет линзу, в фокусе которой установлены торцы двух одинаковых волоконных световодов, передающие свет двум фотоприемникам. Фотоприемники подключены к отдельным электронным каналам, содержащим дифференциаторы, двухполупериодные выпрямители, сглаживающие фильтры. Выходы этих каналов подключены к первому и второму входам микропроцессора. Кроме того, каждый фотоприемник подключен к отдельным интеграторам, выходы которых подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам микропроцессора. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения тока в высоковольтных сетях в реальных погодных условиях. 3 ил.

Измеритель тока оптический двухканальный для высоковольтных сетей, содержащий источник света и установленные последовательно первый волоконный световод, коллимирующую линзу, первый линейный поляризатор, стеклянную призму типа BP-180°, большая грань которой совпадает с плоскостью пропускания первого поляризатора и которая размещена в продольном магнитном поле в центре соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии, соленоид прикреплен к верхнему фланцу полого высоковольтного изолятора высотой h, далее в пучке света установлен второй поляризатор в виде призмы Волластона с углом разведения лучей 2β с плоскостями пропускания разведенных лучей ±45° по отношению к плоскости пропускания первого поляризатора, собирающую свет линзу, после которой установлен второй волоконный световод длиной фотоприемник, электронный блок с индикатором и соединителем интерфейса, отличающийся тем, что после собирающей свет линзы установлен еще один волоконный световод также длиной и еще один фотоприемник, причем так, что входные торцы световодов находятся в фокальной плоскости собирающей свет линзы и центры каждого из них совпадают соответственно с центрами сфокусированных пучков света, расстояние Δх между центрами входных торцов световодов удовлетворяет условию Δх=f'tg2β, где f' - фокусное расстояние собирающей свет линзы, 2β - угол разведения лучей призмы Волластона, выходные торцы световодов расположены в непосредственной близости от фотоприемников, каждый фотоприемник подключен к отдельному электронному каналу, содержащему соединенные последовательно дифференциатор, двухполупериодный выпрямитель, сглаживающий фильтр, выходы этих каналов подключены к первому и второму входам микропроцессора, кроме того, каждый фотоприемник подключен к отдельным интеграторам, входы которых подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам микропроцессора.