ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЕЙ Российский патент 2024 года по МПК G01R15/24 

Изобретение относится к группе измерительных приборов, предназначенных для измерения тока в высоковольтных сетях, а точнее к измерителям тока, в которых используется оптический эффект Фарадея.

До настоящего времени наиболее распространенными измерителями тока в высоковольтных сетях являются электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ИТТЭ) [1], которые содержат первичную обмотку из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии, магнитопровод из трансформаторного железа, одну вторичную обмотку с большим числом витков для точных измерений тока и несколько вторичных обмоток для грубых измерений тока, дающих информацию о максимальном токе релейной защиты (МТЗ) и о ударном токе при коротком замыкании (токе отсечки ТО).

Вторичные обмотки обязательно заземлены и нагружены известными комплексными сопротивлениями.

Существенными недостатками ИТТЭ являются:

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

- насыщение магнитопровода апериодической составляющей при токах короткого замыкания;

- неизбежный расход электроэнергии во вторичных обмотках (вторичных цепях);

- влияние на точность измерения тока величины нагрузки и числа подключенных ко вторичным обмоткам регистраторов измеренного тока;

- аналоговая форма сигнала, характеризующего измеренный ток;

- большие габариты и ток;

- высокие расходы для обслуживания, проведения регламентных проверок состояния изоляции.

В качестве альтернативы ИТТЭ, работающих на принципе электромагнитной трансформации тока, интенсивно ведутся работы по созданию измерителей тока оптических (ИТО), принцип работы которых основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в магниточувствительном изотропном веществе (например, в стекле), находящемся в продольном (коаксиальном) магнитном поле (эффект Фарадея).

Суть эффекта Фарадея состоит в следующем [2,3]. Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент. Под действием продольного (по отношению к направлению распространения света) 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 - фазовые скорости распространения левой и правой волн;

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

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

- 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;

- постоянная Верде стекла;

- путь, пройденный поляризованным светом в стекле;

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

- число витков фрагмента проводника;

- ток, протекаемый по фрагменту проводника;

- 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 δ₀ с помощью интерферометра [4];

- способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации α, с помощью обычных поляриметров [2].

В реализации проще второй способ, при котором на магниточувствительный стеклянный элемент, 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.

Этот способ реализован, например, в известном измерителе тока оптическом [5], который содержит установленные последовательно источник света, первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллимирующую линзу, первый линейный поляризатор, магниточувствительный элемент в виде стеклянной призмы типа BP-180°, 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.

Известное устройство [5] работает следующим образом.

Свет от источника по волоконному световоду передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы. Вышедший из первого оптического волокна расходящийся пучок света преобразуется линзой в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму типа BP-180°, проходит второй поляризатор и второй линзой собирается на торце второго оптического волокна. Далее свет попадает на фотоприемник. Сигнал от фотоприемника поступает в электронный блок.

Если ток по проводнику не протекает и магнитное поле вокруг проводника отсутствует, то в процессе прохождения света через призму BP-180° его состояние поляризации не меняется. Поскольку азимут плоскости пропускания второго поляризатора отличается от плоскости пропускания первого поляризатора на угол ±45°, то фотоприемник воспринимает свет интенсивностью

где - интенсивность света источника 1;

- общий коэффициент отражения;

- общий коэффициент пропускания всех элементов оптики.

Если по фрагменту проводника протекает переменный ток частоты сети то фотоприемник воспринимает свет интенсивностью

где: - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой BP-180°;

- постоянная Верде материала призмы;

- общая длина пути света в призме;

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

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

где - постоянная составляющая электрического сигнала фотоприемника.

В электронном блоке вычисляется отношение Q переменной составляющей

к постоянной составляющей U₀

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

где - коэффициент, характеризующий эффективность использования магнитного поля.

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

Данное известное устройство [5] позволяет измерять ток в высоковольтных сетях с высокой точностью (не хуже 0,2%) для коммерческого учета электроэнергии, но не может обеспечить нормальную работу релейной защиты и автоматики по следующим причинам.

Во-первых, известное устройство настраивается так, чтобы при номинальном токе в сети угол поворота плоскости поляризации был в переделах то есть линейного участка кривой чтобы согласно зависимостей (6) и (7) соблюдались пропорциональности между а также Q и α.

Однако, при бросках тока в сети, например, в результате короткого замыкания, ток в сети может возрастать в десятки раз, например При этом угол поворота будет достигать величин что приведет к нарушению принципа работы устройства, так как согласно формуле (6) угол α должен быть только в пределах ±45° (функция U=f(α) циклическая).

Во-вторых, ударный ток короткого замыкания (апериодическая составляющая) возникает через 0,01 сек после КЗ и быстро угасает. Для регистрации этого быстро протекаемого процесса требуется дополнительный грубый канал и особая электрическая схема, обладающая высоким быстродействием при измерении тока, чего в данном известном устройстве нет.

Известен измеритель тока оптический двухканальный [6], который является прототипом предлагаемому устройству. Измеритель тока оптический двухканальный содержит два независимые друг от друга точный и грубый оптические каналы в виде ячеек Фарадея, установленные внутри общего соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии. Каждый из каналов содержит установленные последовательно источник света, первый поляризатор, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы, второй поляризатор, собирающую свет линзу, второй волоконный световод, фотоприемник, подключенный к электронному блоку с формирователями уровней постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала фотоприемника, микропроцессор, индикатор результатов измерений тока, плату интерфейса.

В качестве магниточувствительного элемента в точном канале установлена стеклянная призма типа BP-180°, а в грубом канале - обычная стеклянная призма с наклеенной дополнительной призмой типа БР-180°.

В электронном блоке также имеются два канала. Точный канал измерений содержит фотоприемник, предварительный усилитель, блок обработки сигнала, микропроцессор, индикатор результатов измерений, интерфейс, блок питания. К предварительному усилителю грубого канала подключено пороговое устройство триггерного типа с усилителем мощности, который подключен к микропроцессору и со входом релейной защиты.

Известный измеритель тока оптический двухканальный [6] работает следующим образом.

Свет от источника точного канала по первому волоконному световоду передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы. Вышедший из первого оптического волокна расходящийся пучок света преобразуется линзой в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму типа BP-180°, проходит второй поляризатор и собирающей линзой собирается на торце второго оптического волокна, далее свет попадает на фотоприемник.

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

то фотоприемник воспринимает свет интенсивностью

где: - интенсивность света источника света;

- коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы BP-180°;

- коэффициент пропускания света оптического тракта.

Световой поток фотоприемником преобразуется в электрический сигнал

где: - максимальный угол поворота плоскости поляризации света призмой BP-180°;

- путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме BP-180°.

После предварительного усиления усилителем блок обработки сигнала разделяет постоянную составляющую сигнала

и переменную составляющую

)

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

Микропроцессор вычисляет отношение Q сигнала, пропорциональное переменной составляющей (13) к постоянной составляющей

)

затем вычисляет искомый ток i, протекаемый по фрагменту проводника по формуле (8).

где K - коэффициент пропорциональности.

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

Одновременно свет интенсивностью от источника второго грубого канала по первому многомодовому световоду грубого канала передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы. Вышедший из первого оптического волокна расходящийся пучок света преобразуется линзой в коллимированный пучок света. Далее свет грубого канала проходит первый линейный поляризатор, становится линейно поляризованным, проходит один раз простую четырехугольную дополнительную призму, второй поляризатор, дважды отражается от полированных поверхностей призмы типа БР-180°, линзой собирается на торце второго волоконного световода и передается фотоприемнику.

Световой поток I₂ фотоприемником грубого канала преобразуется в электрический сигнал

где: - максимальный угол поворота плоскости поляризации света простой призмой грубого канала;

- путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме грубого канала.

После предварительного усиления усилителем грубого канала блок обработки сигнала разделяет постоянную составляющую сигнала (16) 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 (24) в несколько раз меньше амплитуды точного канала (13) в связи с тем, что при прочих равных условиях путь L2, пройденный светом в призме грубого канала, в несколько раз (например, в 5 раз) меньше пути L₁, пройденного в призме BP-180° точного канала.

Так, например, если при номинальном токе в сети 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 то в точном канале произойдет нарушение принципа работы а в грубом канале α_2max < 45° и нарушения работы измерителя тока оптического не происходит.

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

Микропроцессор 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, то при а при токе и Q≈0,87. То 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 точного канала, a L₂ - путь, пройденный светом в призме грубого канала.

То же самое происходит и в том случае, когда в качестве фрагмента проводника используется шина 8×60 мм² в виде двух витков, когда Так, при а при И в этом случае при превышении тока примерно в три раза 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 [6] 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

Данное известное устройство имеет существенный недостаток, который проявляется при работе в жестких климатических условиях. Известно, что в процессе резких изменений температуры окружающего воздуха в различных точках стеклянной призмы ячейки Фарадея могут появляться градиенты температуры, что приводит к появлению тепловых или механических нагрузок в стекле призмы и, как следствие, к возникновению линейного двойного лучепреломления. То есть, под воздействием градиента температуры изотропное стекло призмы становится анизотропным. В этом случае стеклянную призму можно представить фазовой пластинкой [7] с произвольной ориентацией главных осей ϕ и вносящей разность фаз δ_g между взаимно ортогональными компонентами поляризованного света [8]

где - длина волны света;

- фотоупругий коэффициент стекла призмы[8];

- разность касательных напряжений[7];

- длина пути света в стекле;

- разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной компонент поляризованного света.

В этом случае стеклянные призмы обоих каналов без воздействия на них магнитного поля подобны фазовым пластинкам с произвольными ориентациями главных осей ϕ, вносящие разность фаз δ_g.

Матрицы стеклянных призм как эквивалентных фазовых пластин могут быть представлены в виде

Если по фрагменту проводника высоковольтной сети протекает переменный ток с частотой ω=50 Гц, то с появлением эффекта Фарадея стеклянные призмы обоих каналов приобретают свойства ротатора [8], что отображается матрицей

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 матрицы призм каналов можно представить произведением матрицы (19) и матрицы ротатора (20), то есть матрицей

где

Если для каждого канала перемножить векторы Стокса характеризующий неполяризованный свет, падающий на первый поляризатор, и известные матрицы [8] первого поляризатора призмы BP-180° после четырехкратного прохождения света в точном канале и одноразового прохождения в грубом канале, второго поляризатора то можно получить первые параметры Стокса, характеризующие интенсивность света в точном канале и в грубом канале:

А отношения переменных составляющих к постоянным составляющим сигналов в каждом канале будут характеризоваться зависимостями:

Сравнивая формулу (14) и формулы (24), (25), видим, что термические или механические нагрузки в стекле призм каналов вызывают появление в нем линейного двулучепреломления (анизотропии) и, как следствие, погрешности измерений тока в высоковольтной сети.

Вторым существенным недостатком известного устройства [6] является отсутствие скоростного электронного канала для обеспечения выборочного измерения тока (примерно 80 выборок за период колебаний сети 50 Гц) с целью фиксации аппаратурой релейной защиты уровня ударного тока при коротком замыкании в высоковольтной сети [9].

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

Предлагаемое устройство состоит из двух независимых друг от друга точного и грубого оптических каналов в виде ячеек Фарадея, установленных в едином корпусе не верхнем фланце высоковольтного изолятора внутри общего соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии. Каждый из каналов содержит установленные последовательно источник света, волоконный световод, коллиматор, первый поляризатор, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы типа BP-180°, второй поляризатор, собирающую свет линзу, второй волоконный световод, фотоприемник, подключенный к электронному блоку с формирователями уровней постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала фотоприемника, микропроцессор, индикатор результатов измерений тока, плату интерфейса.

В отличие от известных устройств в каждом канале предлагаемого измерителя тока оптического многоканального вторые поляризаторы выполнены в виде призм Волластона, плоскости поляризации разведенных ими линейно поляризованных лучей составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов, в фокальных плоскостях собирающих свет линз установлены дополнительные волоконные световоды, на выходе которых установлены дополнительные фотоприемники, предварительные усилители, формирователи уровней постоянной и переменной составляющих. В грубом канале магниточувствительный элемент выполнен в виде такой же призмы типа BP-180°, но из стекла с меньшим значением постоянной Верде по сравнению со стеклом призмы точного канала. В электронном блоке грубого канала установлено устройство суммирования сигналов фотоприемников для формирования их общей постоянной составляющей, входы которого подключены непосредственно к предварительным усилителям, а его выход подключен к входам дополнительного микропроцессора, соединенного с генератором синхроимпульсов для управления моментом и числом измерений тока за период колебания переменного тока сети.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерителя тока оптического многоканального для высоковольтных сетей.

На фиг.2 показана структурная электрическая схема точного канала.

На фиг.3 показана структурная электрическая схема грубого канала.

На фиг.4 показаны формы сигналов первого фотоприемника грубого канала до короткого замыкания сети, во время действия ударного тока и при установившемся режиме короткого замыкания сети.

На фиг.5 показаны формы сигналов второго фотоприемника грубого канала при тех же этапах развития короткого замыкания.

Предлагаемый измеритель тока оптический многоканальный для высоковольтных сетей состоит из двух оптических независимых друг от друга точного (фиг.1, проекция А-А) и грубого (фиг.1, проекция Б-Б) каналов в виде двух ячеек Фарадея 1,2, установленных в едином корпусе 3 на верхнем фланце 4 высоковольтного изолятора 5 внутри общего соленоида 6, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии.

Точный канал (фиг.1, проекция А-А) содержит установленные последовательно источник света, например, светодиод 7, волоконный многомодовый световод 8, коллиматор в виде линзы 9, первый поляризатор 10, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы 11 типа BP-180° с высоким значением постоянной Верде, например, из стекла ТФ5, второй поляризатор 12, собирающую свет линзу 13, второй волоконный световод 14, фотоприемник 15, подключенный к электронному блоку 16.

Грубый канал (фиг.1, проекция Б-Б) содержит установленные последовательно такие же элементы, а именно источник света 17, волоконный световод 18, коллиматор 19, первый поляризатор 20, магниточувствительный элемент в виде призмы 21 типа BP-180° из стекла с низким значением постоянной Верде, например К8, второй поляризатор 22, собирающую свет линзу 23, второй волоконный световод 24, фотоприемник 25, подключенный к электронному блоку 26.

В каждом канале вторые поляризаторы 12 и 22 выполнены в виде призм Волластона, плоскости поляризации разведенных ими линейно поляризованных лучей составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов 10 и 20.

В фокальных плоскостях собирающих свет линз 13, 23, установлены торцы дополнительных волоконных световодов 27 и 28.

После дополнительного световода 27 установлен дополнительный фотоприемник 29, соединенный с электронным блоком 16, а после дополнительного световода 28 установлен дополнительный фотоприемник 30, соединенный с электронным блоком 26.

В связи с тем, что призмы Волластона 12 и 22, кроме разделения коллимированных пучков света на два, одновременно выполняют функции поляризаторов с взаимоортагональными плоскостями поляризации выходящих из них пучков света, то как точный, так и грубый оптические каналы в отдельности в свою очередь следует рассматривать так же как духканальные.

В связи с этим электронный блок точного канала 16 (фиг.2) также содержит два одинаковых электронных канала. Один электронный канал содержит фотоприемник 15, предварительный усилитель 31, резистивный делитель 32, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 15, состоящий из резистора 33, емкости 34 и резистивного делителя 35, который подсоединен к первому входу микропроцессора 36, а также формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 15, состоящий из емкости 37, резистора 38, двухполупериодного выпрямителя 39, емкости 40, которая подсоединена к второму входу микропроцессора 36.

Другой электронный канал электронного блока точного канала 16 содержит фотоприемник 29, предварительный усилитель 41, резистивный делитель 42, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 29, состоящий из резистора 43, емкости 44 резистивного делителя 45, который подсоединен к третьему входу микропроцессора 36, а также формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 29, состоящий из емкости 46, резистора 47, двухполупериодного выпрямителя 48, емкости 49, которая подсоединена к четвертому входу микропроцессора 36. Микропроцессор 36 подсоединен к плате интерфейса 50, которая подсоединена к цифровому индикатору 51. Электронный блок 16 содержит источник питания 52 и тепловое реле с миниатюрным нагревателем 53.

Электронный блок грубого оптического канала 26 (фиг.3) содержит также два одинаковых электронных канала.

Один электронный канал содержит фотоприемник 25, предварительный усилитель 54, резистивный делитель 55, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 25, состоящий из резистора 56, емкости 57 и резистивного делителя 58. Делитель 58 подсоединен к первому входу микропроцессора 59. Формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 25 состоит из емкости 60, резистора 61, двухполупериодного выпрямителя 62, емкости 63, которая подсоединена ко второму входу микропроцессора 59.

Другой электронный канал электронного блока грубого канала 26 содержит фотоприемник 30, предварительный усилитель 64, резистивный делитель 65, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 30, состоящий из резистора 66, емкости 67 и резистивного делителя 68, подсоединенному к третьему входу микропроцессора 59.

Формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 30 состоит из емкости 69, резистора 70, двухполупериодного выпрямителя 71, емкости 72, которая подсоединена к четвертому входу микропроцессора 59. Микропроцессор 59 подсоединен к плате интерфейса 73 и к цифровому индикатору 74. Электронный блок 26 содержит свой источник питания 75. Электронный блок грубого канала 26 содержит дополнительно сумматор 76 с емкостью 77 для формирования усредненного значения постоянной составляющей сигналов фотоприемников 25 и 30, а также дополнительный микропроцессор 78, к входам «вх.1» и «вх.3» которого подключены соответственно резисторы R₅₅ и R₆₅, а к входам «вх.2» и «вх.4» подключен выход сумматора 76 (емкость С₇₇). К микропроцессору 78 подключен генератор синхроимпульсов 79 для управления моментом и числом выборок (числом измерений тока за период колебаний переменного тока сети). К выходам микропроцессора 78 подключены интерфейсы 80 и 81 для трансляции измеренных токов с помощью протоколов связи МЕК 61850-9-2.

Для закрытых подстанций и для других энергоустановок, расположенных в помещениях с нормальными климатическими условиями эксплуатации предусмотрен вариант конструктивного исполнения, при котором источники света 7, 17 (фиг.1), фотоприемники 15, 25 и 29, 30, а также электронные блоки 16 и 26 расположены внутри общей подставки 82.

Для открытых подстанций с жесткими климатическими условиями эксплуатации предусмотрен вариант конструкции, при котором используются волоконные световоды 8, 14, 27, 18, 24, 28 (фиг.1) большой длины, а источники света 7, 17, фотоприемники 15, 25 и 29, 30, а также электронные блоки 16 и 26 расположены в отдельном шкафу (на чертежах не показан), внутри которого расположены датчик температуры, реле и нагреватель.

Измеритель тока оптический многоканальный для высоковольтных сетей работает следующим образом.

Работа точного канала.

Свет от источника 7 (фиг.1), который как правило частично поляризован, с помощью многомодового волоконного световода 8 подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 9.

Многомодовый волоконный световод 8 для частично поляризованного света является идеальным деполяризатором. Поэтому вышедший из многомодового волоконного световода 8 расходящийся пучок света можно представить вектором Стокса, характеризующим неполяризованный свет

)

где - интенсивность света источника 7;

- коэффициент передачи света волоконного световода с учетом виньетирования.

Коллимирующая линза 9 преобразует расходящийся пучок света в коллимируемый. После прохождения света через поляризатор 10 свет становится линейно поляризованных с азимутом поляризации 0°, что видно из перемножения известных матриц [8]:

Если по фрагменту проводника 6 не протекает ток, а на призму 11 нет механических или термических нагрузок, то по воздействию на поляризованный свет призму 11 можно представить матрицей изотропного вещества [8]:

- общий коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 11 для горизонтально поляризованного света.

Поэтому после четырехкратного прохождения коллимированного линейно поляризованного света через призму 11 состояние поляризации света не изменится, что можно представить вектором Стокса

Далее коллимированный линейно поляризованный пучок света проходит призму Волластона 12 и разделяется ею под углом 2β на два линейно поляризованных пучка света, которые можно представить векторами Стокса , согласно уравнениям:

Из уравнений (30) и (31) видно, что в идеале разделенные призмой Волластона 12 пучки света имеют одинаковые интенсивности

и соответственно азимуты линейной поляризации +45° и -45° по отношению к первому поляризатору 10. Линза 13 фокусирует разделенные призмой Волластона 12 пучки света соответственно на торцы волоконных световодов 14 и 27, которые деполяризуют свет и передают его соответственно фотоприемникам 15, 29. На выходе фотоприемников 15, 29 при их равной чувствительности получаем равные по амплитуде электрические сигналы, пропорциональные постоянной составляющей света

Однако, на практике при передаче света в волоконных световодах 14, 27 на их торцах может происходить дополнительное и неравное виньетирование, а чувствительности фото приемников 15, 29 могут отличаться между собой.

Поэтому в процессе наладки с помощью резисторов R₃₂ и R₄₂ (фиг.2) устанавливают равенство сигналов (33).

Если на призму 11 (фиг.1) не действуют градиенты температуры, механические нагрузки, а по фрагменту проводника 6 сети протекает переменный ток частоты со сети то призму 11, находящуюся в продольном магнитном поле проводника 6 по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей ротатора [8]

где - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света;

- общий коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 11 для одной горизонтальной компоненты линейно поляризованного света;

- частота сети (50 Гц).

В этом случае интенсивности света можно найти из уравнений

А именно:

Световые потоки фотоприемниками 15 и 29 преобразуются в электрические сигналы соответственно

После предварительного усилителя 31 (фиг.2) электрический сигнал (39) разделяется на постоянную составляющую и переменную составляющую Формирователь постоянной составляющей с помощью резистора R₃₃ и емкости С₃₄ интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 15 и с помощью делителя R₃₅ в виде потенциала подается на «вход 1» микропроцессора 36.

Переменная составляющая сигнала (39) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (емкость С₃₇ и резистор R₃₈), детектируется двухполупериодным детектором 39, сглаживается емкостью С₄₀ и в виде потенциала подается на «вход 2» микропроцессора 36.

После предварительного усилителя 41 электрический сигнал (40) также разделяется на постоянную составляющую и переменную составляющую

Формирователь постоянной составляющей с помощью резистора R₄₃ и емкости С₄₄ интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 29 и с помощью делителя R₄₅ в виде потенциала подается на «вход 3» микропроцессора 36.

Переменная составляющая сигнала (40) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (емкость С₄₆ и резистор R₄₇), детектируется двухполупериодным детектором 48, сглаживается емкостью С₄₉ и в виде потенциала подается на «вход 4» микропроцессора 36.

Микропроцессор 36 вычисляет отношение потенциалов

находит их среднеарифметическое значение

вычисляет угол поворота плоскости поляризации

умножает на постоянный конструктивный коэффициент K и находит величину измеряемого тока

В реальных условиях эксплуатации предлагаемого устройства стеклянная призма 11 (фиг.1), как правило, испытывает небольшие термические или механические нагрузки, в результате чего в стекле призмы 11 возникает двойное лучепреломление и призму 11 можно рассматривать как эквивалентную фазовую пластинку с произвольной ориентацией главных осей ϕ, вносящей разность фаз δ между компонентами поляризованного света [8]. В общем случае эта эквивалентная фазовая пластинка может быть представлена табличной матрицей общего вида [8]. Но учитывая, что фотоупругий коэффициент стекла мал и, как показали исследования, вносимая нагрузками разность фаз δ ≤ 5°, матрицу стеклянной призмы 11 можно представить в упрощенном виде

В этом случае в отсутствии тока в соленоиде 6 после четырехкратного прохождения горизонтально поляризованного света через призму 11 на ее выходе свет будет характеризоваться вектором Стокса

Следовательно, в отсутствии тока в соленоиде 6 после призмы Волластона 12 равенство (32) нарушается и интенсивности , пришедшие на фотоприемники 15, 29 не будут равными между собой.

А именно

где - коэффициенты передачи света волоконными световодами 14, 27 соответственно.

При наличии тока в соленоиде 6 на выходах предварительных усилителей 31 и 41 (фиг.2) будут электрические сигналы

Выражения (50), (51) можно представить в виде

где

- потенциалы на емкостях С₄₀ и С₄₉ (фиг.2). Микропроцессор 36 вычисляет отношения потенциалов которые пропорциональны переменным составляющим, относительно постоянным составляющим

и среднеарифметические их значения

величину угла поворота плоскости поляризации а также величину измеренного тока (45)

Из выражений (48), (49) и (52), (53) видно, что благодаря нормированию сигналов относительные величины Q1 и Q₂ не зависят от уровня интенсивности света и от общего коэффициента пропускания света но существенно зависят от разности фаз δ, причем, если Q1 уменьшается на величину то Q₂ приблизительно на такую же величину увеличивается.

Следовательно, после вычисления среднеарифметического значения Q влияние разности фаз δ на отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей сигналов фото приемников 15, 29 будет практически скомпенсировано.

Например, при ϕ = ±22,5° (худший вариант) и δ = ±5° (реальные значения) ошибки значений Q_t и Q₂ в отдельности согласно формулам (51), (52) будут

После нахождения среднеарифметического значения

ошибка всего +0,0005168, то есть в 45 раз меньше.

Для наглядности выразим рассматриваемые ошибки через токи.

Допустим при токе в сети i=500А и при температуре воздуха t = 20°С измерена величина тогда конструктивный коэффициент В этом случае ошибка -0,0222255 в определении Q₁ пропорциональна ошибке Δα = 0,63676 в измерении тока Δi₁ = 0,63676⋅78,553=50 А (10,0%), ошибка в определении Q₂ пропорциональна току Δi₂ = 0,66638⋅78,552=52,34 А (примерно на 10,5%). А после нахождения среднеарифметического значения Q = 0,5(Q₁+Q₂)

То есть после нахождения среднеарифметического значения Q погрешность измерения тока i уменьшается в 45 раз! Результаты точных измерений тока транслируются внешним устройствам в коде RS-485 или RS-422 по интерфейсу 50 и индицируются цифровым индикатором 51. Таким образом, точный канал предлагаемого устройства обеспечивает точные измерения переменного тока в высоковольтных сетях для коммерческого учета электроэнергии не хуже ±0,2% даже при воздействии предельных температур.

Работа грубого канала.

Конструктивно оптико-механическая часть грубого канала (фиг.1, проекция Б-Б) отличается от точного канала только тем, что призма 21 (фиг.1) выполнена, например, из легкого крона, у которого постоянная Верде примерно в четыре раза меньше, чем, например, у стекла ТФ5 призмы 11 точного канала. Поэтому его принцип работы подобен работе точного канала. А именно. Свет от источника 17 по многомодовому волоконному световоду 18 подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 19. Вышедший из волоконного световода 18 расходящийся пучок света линзой 19 преобразуется в коллимированный, проходит поляризатор 20 и становится линейно поляризованным с азимутом поляризации 0°.

Если по фрагменту проводника 6 не протекает ток, то после четырехкратного прохождения коллимированного линейно поляризованного пучка света через призму 21 состояние поляризации света не изменится (29), и разделенные призмой Волластона 22 пучки света имеют одинаковые интенсивности (32). Линза 23 фокусирует разделенные призмой Волластона 22 пучки света на торцы волоконных световодов 24, 28, которые передают их соответствующим фотоприемникам 25 и 30. В принципе при равных чувствительностях фотоприемников 25 и 30 и отсутствии эффекта виньетирования света на торцах волоконных световодов 24, 28 на выходах фотоприемников 25, 30 получаем равные по амплитуде электрические сигналы (33). Но на практике на выходе фотоприемников 25, 30 их сигналы могут оказаться неравными. Поэтому в процессе наладки с помощью резисторов R₅₅ и R₆₅ (фиг.3) устанавливают равенство потенциалов U₁ и U₂ (33).

Если по фрагменту проводника 6 (фиг.1) протекает переменный ток сети то призму 21 по воздействию на поляризованный свет можно представить матрицей

7)

где - коэффициент учитывающий уменьшения эффекта Фарадея в стекле призмы 21 по сравнению со стеклом призмы 11 точного канала;

- постоянные Верде соответственно стекла призмы 21 и 11;

- максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой 11;

- суммарный коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 21 для одной горизонтальной компоненты линейно поляризованного света;

- частота сети (50 Гц). В этом случае интенсивности разделенных пучков света после призмы Волластона 22 будут изменяться по законам

а электрические сигналы на резисторах R₅₅ и R₆₅ соответственно по законам

После предварительного усилителя 54 (фиг.3) электрический сигнал (60) разделяется на постоянную составляющую U₀ и переменную составляющую Формирователь постоянной составляющей с помощью резистора R₅₆ и емкости С₅₇ интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 25 и с помощью делителя R₅₈ в виде потенциала U₀ подается на «вх.1» микропроцессора 59.

Переменная составляющая сигнала (60) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (С₆₀, R₆₁), детектируется двухполупериодным детектором 62, сглаживается емкостью С₆₃ и в виде потенциала U_~ подается на «вх.2» микропроцессора 59.

После предварительного усилителя 64 электрический сигнал (61) также разделяется на постоянную составляющую U₀ и переменную составляющую

Формирователь постоянной составляющей (резистор R₆₆, емкость С_б7) интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 30 и с помощью делителя R₆₈ в виде потенциала подается на «вх.3» микропроцессора 59.

Переменная составляющая сигнала (58) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (емкость С₆₉ и резистор R₇₀), детектируется двухполупериодным детектором 71 и в виде потенциала подается на «вх.4» микропроцессора 59.

Микропроцессор 59 вычисляет отношение потенциалов

угол поворота плоскости поляризации учитывает постоянные коэффициенты N, K и находит величину измеренного тока

Но, как уже отмечалось, при рассмотрении работы точного канала в реальных условиях эксплуатации стеклянная призма 21 (фиг.1) грубого канала также может испытывать термические или механические нагрузки, в результате чего при наличии тока в соленоиде 6 на выходах предварительных усилителей 54, 64 (фиг.3) будут действовать электрические сигналы

где - разность фаз между компонентами поляризованного света, наведенная нагрузками в призме 21 (фиг.1);

- направление главных осей эквивалентной фазовой пластинки, которой является призма 21.

В призме 21 из стекла К8 также можно считать а ϕ - произвольная величина. В худшем варианте

Поэтому выражения (65), (66) можно представить в виде

где - уровень сигнала на емкости С₆₃ (на «вх.2» микропроцессора 59) (фиг.3), пропорциональный величине тока сети;

- предельная величина влияния двойного лучепреломления в стекле призмы 21.

Микропроцессор 59 вычисляет отношения

их среднеарифметические значения (53)

Вычисляет угол поворота плоскости поляризации а также величину измеренного тока (64)

Например, по соленоиду 6 (фиг.1) протекает эталонный ток i = 529 А, призма 21 выполнена из стекла К8 таких же размеров, что и призма 11 точного канала, тогда микропроцессор 29 вычисляет:

Сравнивая измеренный ток с эталонным током находим, что благодаря наличию призмы Волластона 22 точность измерения тока в грубом канале также находится в пределах ±0,2%, что соответствует ГОСТ 7746-2001 относительно требований, предъявляемым к измерителям тока для коммерческого учета.

Приведенный пример показывает, что при номинальном токе в сети, например, когда в точном канале то есть на пределе линейного участка функции I = ƒ (α) (37), (38), то в грубом канале всего и точность измерения тока ±0,2% сохраняется до максимальной токовой защиты

Если учесть, что для релейной защиты ГОСТ 7746-2001 допускает применение измерителей тока с классом точности 5Р и даже 10Р, то для измерения токов короткого замыкания допустимо α_КЗ ≈ 30° и соответственно (кратность тока 18,5).

То есть наличие грубого канала позволяет измерять ток с точностью ±0,2% и таким образом дублировать точный канал, а также измерять ток с классом точности Р10 в случаях превышения номинального тока в 18,5 раза, что достаточно при токах МТЗ или КЗ. С началом переходного процесса при коротком замыкании, когда возникает ударный ток и апериодическая составляющая на «вх.1» и «вх.3» дополнительного микропроцессора 78 (фиг.3) поступают электрические сигналы пропорциональные току i сети, соответственно от фотоприемников 25 и 30, показанные на фиг.4 и фиг.5.

В связи с тем, что призма Волластона 22 (фиг.1) является поляризатором, у которого плоскости пропускания для разведенных ею лучей составляют углы ±45° по отношению к плоскости пропускания первого поляризатора 20, то интенсивности света I₁ и I₂ разделенных пучков будут изменяться в противофазе. Следовательно, электрические сигналы на резисторах R₅₅, R₆₅ и на «вх.1», «вх.3» микропроцессора 78 (фиг.3) также будут изменяться в противофазе (65), (66). Так, например, если момент короткого замыкания наступает при положительном полупериоде тока i и на резисторе R₅₅ сигнал возрастает из-за апериодической составляющей до уровня (фиг.4), затем быстро спадает до уровня то в это же время на резисторе R₆₅ сигнал уменьшается до уровня (фиг.5) относительно из-за апериодической составляющей U_a, а затем быстро возрастает до уровня .

Если короткое замыкание наступает в моменте действия отрицательного полупериода, то полярность апериодической составляющей меняется и кривые, показанные на фиг.4 и фиг.5 меняются местами. В среднем переходный процесс короткого замыкания длится не более 0,08 сек, а время нарастания ударного тока менее 0,01 сек. Поэтому измерение ударного тока и апериодической составляющей производится не менее 80 раз за период колебаний тока в сети, то есть не менее 4000 раз в секунду следующим образом.

Синхроимпульсы частотой 4 кГц от генератора 79 (фиг.3) подаются на «вх.5» микропроцессора 78. С приходом каждого импульса микропроцессор 78 вычисляет отношение Q₁ и Q₂ уровней сигналов U₁ (65) и U₂ (66), поступивших от резисторов R₅₅ и R₆₅, к их сумме U₀ = U₁ + U₂, поступившей от емкости С₇₇, служащей интегратором на выходе сумматора 76, а также отношения Q₁ Q₂, умножает на постоянный коэффициент D. С выхода микропроцессора 78 «вых.1» и «вых.2» измеренные мгновенные значения токов каждой выборки

в коде RS485 поступают на блоки интерфейса 80, 81, преобразуются в код МЕК 61850-9-2 и транслируются устройствам релейной защиты и автоматики.

Предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с известными устройствами, решающими подобные задачи.

Во-первых, наличие призм Волластона как в точном, так и в грубом оптических каналах позволяет производить компенсацию наведенного термическими нагрузками двойного лучепреломления в стеклянных призмах 11, 21 (фиг.1), что существенно повышает точность измерений, благодаря чему грубый канал можно использовать в качестве резервного для коммерческого учета, а также для точных импульсных измерений ударного тока и апериодической составляющей при коротком замыкании.

Использование призм Волластона в качестве вторых поляризаторов 12 и 22 позволило иметь два электронных канала обработки сигналов фотоприемников в точном оптическом канале и четыре электрические каналы в грубом оптическом канале, из которых два такие же как в точном оптическом канале и два высокочастотные импульсные для фиксации ударного тока при коротком замыкании в сети. Получается, что каждый канал выполняет функции отдельного прибора, что повышает надежность и точность измерений.

Во-вторых, в качестве магниточувствительных элементов ячейки Фарадея точного и грубого каналов использованы стеклянные призмы BP-180° из различных сортов стекол, например, ТФ4 и К8, но одинаковых геометрических размеров, что позволяет унифицировать производство двухканальных ячеек Фарадея.

В-третьих, с целью сохранения уровня постоянной составляющей сигналов фотоприемников 25, 30 (фиг.3) во время переходного периода короткого замыкания сети предлагаемое устройство содержит сумматор 76, на выходе которого установлена емкость С₇₇. Это позволяет достигать две важные цели:

- стабилизировать опорный сигнал U₀ даже в условиях действия ударного тока, благодаря чему произвести точные измерения апериодической составляющей и ударного тока;

- произвести компенсацию влияния градиента температур при возникновении линейного двулучепреломления в стекле призмы 21 (фиг.1).

Предлагаемое устройство найдет широкое применение в электроэнергетике, особенно в сетях 110 кВ и выше.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Большая советская энциклопедия, т.26, с. 166.

2. Годжаев Н.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965, с. 30.

3. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976.

4. Губин В.П., Старостин Н.И., Прижияловский и др. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока // Фотоника. - т.12 №7 и №8, 2018.

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

6. Патент РФ №2752341, G01R 15/24.

7. Фрохт М.М. Фотоупругость. Госиздат. М., Л., 1950.

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

9. ГОСТ РМЭК 61850-9-2.

Изобретение относится к измерительным приборам, предназначенным для измерения тока в высоковольтных сетях, а точнее к измерителям тока, в которых используется оптический эффект Фарадея. Предлагаемый измеритель тока оптический многоканальный для высоковольтных сетей состоит из точного и грубого оптических каналов в виде двух ячеек Фарадея и пяти электронных каналов. В каждом оптическом канале вторые поляризаторы выполнены в виде призм Волластона, плоскости поляризации разведенных ими линейно поляризованных лучей составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов, в фокальных плоскостях собирающих свет линз установлены торцы дополнительных волоконных световодов, передающих свет дополнительным фотоприемникам. Магниточувствительный элемент грубого канала выполнен также в виде стеклянной призмы BP-180°, но из стекла с меньшей постоянной Верде по сравнению со стеклом призмы точного канала. В электронном блоке грубого канала установлен сумматор сигналов фотоприемников для формирования постоянной составляющей сигнала. Входы сумматора подключены непосредственно к предварительным усилителям грубого канала, а его выход подключен к входам дополнительного микропроцессора, соединенного с генератором синхроимпульсов для управления моментом и числом измерений тока за период колебания переменного тока сети. Техническим результатом при реализации заявленного решения является существенное повышение точности измерения, благодаря чему грубый канал можно использовать в качестве резервного для коммерческого учета, а также для точных импульсных измерений ударного тока и апериодической составляющей при коротком замыкании. Кроме того, использование призм Волластона в качестве вторых поляризаторов 12 и 22 позволило иметь два электронных канала обработки сигналов фотоприемников в точном оптическом канале и четыре электрических канала в грубом оптическом канале. Предлагаемое устройство найдет широкое применение в электроэнергетике, особенно в сетях 110 кВ и выше. 5 ил.

Измеритель тока оптический многоканальный для высоковольтных сетей, состоящий из двух независимых друг от друга точного и грубого оптических каналов в виде ячеек Фарадея, установленных в едином корпусе на верхнем фланце высоковольтного изолятора внутри общего соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии, каждый из каналов содержит установленные последовательно источник света, волоконный световод, коллиматор, первый поляризатор, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы BP-180°, второй поляризатор, собирающую свет линзу, второй волоконный световод, фотоприемник, подключенный к электронному блоку с формирователями уровней постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала фотоприемника, микропроцессор, индикатор результатов измерений тока, плату интерфейса, отличающийся тем, что в каждом канале вторые поляризаторы выполнены в виде призм Волластона, плоскости поляризации разведенных ими линейно поляризованных лучей составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов, в фокальных плоскостях собирающих свет линз установлены дополнительные волоконные световоды, на выходе которых установлены дополнительные фотоприемники, предварительные усилители, формирователи уровней постоянной и переменной составляющих, в грубом канале магниточувствительный элемент выполнен также в виде призмы BP-180°, но из стекла с меньшим значением постоянной Верде по сравнению со стеклом призмы точного канала, в электронном блоке грубого канала установлено устройство суммирования сигналов фотоприемников для формирования их общей постоянной составляющей, входы которого подключены непосредственно к предварительным усилителям, а его выход подключен к входам дополнительного микропроцессора, соединенного с генератором синхроимпульсов для управления моментом и числом измерений тока за период колебания переменного тока сети.