ЯЧЕЙКА ФАРАДЕЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2024 года по МПК G01R15/24 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к измерителям тока оптическим (ИТО), в которых используется эффект Фарадея [1].

Суть эффекта состоит в следующем. Линейно поляризованный свет, который можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно-поляризованных компонент, пропускают через изотропное вещество, находящееся в магнитном поле проводника с током.

Под действием продольного магнитного поля в таких веществах как оптическое стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно-поляризованных компонент левой и правой циркуляции и между этими компонентами возникает разность фаз

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

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

L - путь, пройденный поляризованным светом в веществе вдоль магнитных силовых линий магнитного поля;

λ₀ - длина волны света.

Если магниточувствительное вещество, например, стекло изотропно, то на выходе из стекла циркулярные компоненты складываются и получается опять линейно поляризованный свет, но с измененным азимутом линейной 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 до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла.

Из формул (1,2) видно, что для измерения тока i можно использовать два способа: способ измерения разности фаз δ и способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации α.

Измерение разности фаз δ обычно производят с помощью уникальных интерферометров [2] с применением четвертьволновых фазовых устройств.

Измерение азимута линейной или частично эллиптической поляризации производят с помощью простых цифровых поляризационных устройств, например, [3], получивших название измерители тока оптические (ИТО).

Основным узлом ИТО, работающих по принципу измерения угла поворота плоскости поляризации α, является ячейка Фарадея (ЯФ), содержащая, как правило, два линейных поляризатора, между которыми установлен магниточувствительный элемент (например, стеклянный), который находятся в продольном магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током высоковольтной сети.

Типичным примером подобных известных устройств является точный измеритель тока оптический [3], который создан и испытан для коммерческого учета электроэнергии в диапазоне токов от i_min=1А до i_н=600 А.

Однако по подобию известных электромагнитных трансформаторов тока [4], кроме точного канала измерений номинального тока i_н, в ИТО требуется наличие грубого канала для измерения тока короткого замыкания i_кз и ударного тока i_уд, которые могут превышать номинальный ток в десятки раз.

Грубый канал требуется для обеспечения работы релейной защиты и автоматики.

Известен измеритель тока оптический двухканальный [5], в котором используется ячейка Фарадея двухканальная, служащая прототипом предлагаемому устройству.

Известная ячейка Фарадея двухканальная [5] содержит точный и грубый каналы.

Точный канал содержит установленные последовательно по ходу лучей первый подающий свет многомодовый волоконный световод 1 (фиг. 1) коллиматор 2, формирующий параллельный пучок света диаметром D, первый линейный поляризатор 3, магниточувствительный элемент 4, выполненный в виде призмы типа ВР-180° из стекла ТФ5, второй линейный поляризатор 5, плоскость пропускания которогосоставляет угол 45° с большой гранью призмы 4 и угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3, фокусирующая свет линза 6 и второй многомодовый световод 7. Поляризаторы 3,5 приклеены к призме 4.

Грубый канал содержит установленные последовательно по ходу лучей первый подающий свет многомодовый волоконный световод 8 (фиг. 2), коллиматор 9, формирующий параллельный пучок света диаметром D, первый линейный поляризатор 10, магниточувствительный элемент 11, выполненный в виде обычной прямоугольной призмы из стекла, например, марки ТФ5, второй линейный поляризатор 12, призма 13 типа БР-180°, фокусирующая свет линза 14 и второй многомодовый световод 15. Второй поляризатор 12 заклеен оптическим клеем между призмой И и дополнительной призмой 13 типа БР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением призмы 13 и составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 10.

Магниточувствительные элементы 4 и 11 закреплены совместно в центре общего соленоида 16 (фиг. 3) так, что направление распространения света в них совпадает с направлением действия магнитных силовых линий магнитного поля соленоида 16.

Сечение и количество витков фрагмента проводника (соленоида) 16 зависят от величины номинального тока сети.

В качестве примера на фиг. 3 показан вариант исполнения фрагмента проводника в виде полного витка, изготовленного из медной шины 100×10 мм² для номинального тока сети i_н=3000А.

Известная ячейка Фарадея двухканальная работает следующим образом.

Работа точного канала

Вышедший из первого многомодового волоконного световода 1 (фиг. 3) расходящийся пучок неполяризованного света линзой 2преобразуется в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 3, становится линейно поляризованным с азимутом поляризации 0°, совпадающим с плоскостью большой грани призмы 4, проходит четыре раза через четырехугольную призму 4, проходит второй поляризатор 5 и линзой 6 собирается на торце второго многомодового волоконного световода 7.

Если ток по фрагменту проводника (соленоиду) 16 не протекает и магнитное поле соленоида 16 отсутствует, то в процессе прохождения света через призму 4 его состояние поляризации не меняется. Поскольку азимут плоскости пропускания поляризатора 5 отличается от азимута плоскости пропускания поляризатора 3 на угол ±45°, то на выходе многомодового волоконного световода 7 интенсивность света I будет характеризоваться выражением

где - интенсивность света, распространяемого в первом световоде 1;

R - общий коэффициент отражения от поверхностей призмы 4;

τ_т - общий коэффициент пропускания всех элементов оптики точного канала.

Если по соленоиду 16 протекает переменный ток i=i_maxsinωt частоты сети ω=50 Гц, то на выходе многомодового световода 7 интенсивность света Г изменяется по закону

где α=H_maxVLcosβ - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой 4;

Н_mах - максимальная напряженность поля в центре соленоида 16;

V₁ - постоянная Верде материала призмы 4, т.е. стекла ТФ5;

L₁ - общая длина пути света в призме 4;

β - угол между направлением распространения света и магнитными силовыми линиями поля в соленоиде 16.

В этом известном устройстве [5] световой поток I_i подается на фотоприемник (на чертежах не показан), работающий в линейном режиме, и преобразуется в электрический сигнал

Блок обработки сигнала разделяет постоянную составляющую сигнала и переменную составляющую

Отношение Q₁, переменной составляющей сигнала к постоянной составляющей несет в себе информацию об угле поворота точного канала α и о величине измеряемого тока i, а именно:

и согласно выражению (2)

Где L₁ - длина хода поляризованного света в призме 4 (фиг. 1),

K₁ - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности точного канала.

Работа грубого канала

Вышедший из первого многомодового волоконного световода 8 (фиг. 2) расходящийся пучок неполяризованного света линзой 9 преобразуется в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 10, становится линейно поляризованным с азимутом поляризации 45° по отношению к плоскости большой гранипризмы 11, проходит один раз через простую четырехугольную призму 11, проходит второй поляризатор 12, призму 13 и линзой 14 (фиг. 2) собирается на торце второго многомодового волоконного световода 15.

По аналогии с точным каналом если ток по соленоиду 16 (фиг. 3) не протекает, то на выходе многомодового волоконного световода 15 интенсивность света

где τ_гр - общий коэффициент пропускания всех элементов оптики грубого канала.

Если по соленоиду 16 протекает переменный ток, то на выходе световода 15 интенсивность света I изменяется по закону

где

H_max - максимальная напряженность магнитного поля в соленоиде 16;

V₂=V₁ - постоянная Верде стекла ТФ5;

L₂ - путь, пройденный поляризованным светом в призме 11 грубого канала.

По подобию выражений (5), (6) находим:

В известном устройстве уровень постоянной составляющей сигнала грубого канала близок к уровню постоянной составляющей точного канала, а уровень амплитуды переменной составляющей грубогоканала в несколько раз меньше амплитуды переменной составляющей точного канала в связи с тем, что при прочих равных условиях путь L₂, пройденный светом в призме 11 (фиг. 2) в несколько раз (например, в 5 раз) меньше пути L₁ пройденного в призме 4 (фиг. 1).

Так, например, если при номинальном токе 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>10_iн), то в точном канале произойдет нарушение принципа работы ячейки Фарадея (α_mах>>45°), а в грубом канале угол поворота плоскости поляризации будет α_mах<45° и нарушения принципа работы ячейки Фарадея не происходит.

Однако данное известное устройство [5] имеет существенные недостатки.

Во-первых, призма 4 (фиг. 1) типа ВР-180° имеет три зеркальные поверхности, которые неизбежно вносят погрешности в процессе измерения угла поворота плоскости поляризации а. Дело в том, что при каждом акте отражения поляризованного света преобразование линейно поляризованного света в частично эллиптически поляризованный происходит не только от величины угла падения света на зеркальную поверхность у, но и от азимута преимущественной поляризации света α. Так, например, если призма 4 (фиг. 1) выполнена из стекла марки ТФ5 (n_D=1,7550), отражающие свет поверхности призмы 4 наклонены так, что углы падения света γ=2,8°, а граница стекло-алюминий характеризуется относительным комплексным показателем преломления =0,7292-j3,66 [6], то после подстановок в известные уравненияФренеля [1] находим комплексные коэффициенты отражения для перпендикулярной и параллельной составляющих пучка света

Откуда находим искажение азимута поляризации при одном зеркальном отражении, при номинальном токе и максимальном угле поворота плоскости поляризации α_mах≈5,6°

После трех отражений (усредняя данные):

что соответствует максимальной ошибке измерения тока

Это существенно для точного канала, потому что для коммерческого учета электроэнергии допустимая погрешность измерения тока ±0,2% (ГОСТ 7746-2001).

Во-вторых, практика конструирования ИТО показала, что для нормальной работы ячеек Фарадея ИТО диаметр D поляризованного пучка света должен быть от D_min=8 мм до D_max=10 мм и расстояние между осями коллиматоров 2, 9 и осями собирающих свет линз 6, 14 должно быть не менее 20 мм. При этом призма 4 (фиг. 1) и призма 11 (фиг. 2) получается массивными (объем стекла V≈3,8×1,4×7 см=37,3 см³). Это означает, что при возникновении градиента температуры в толще стекла призм возникает градиент показателя преломления (двойное лучепреломление), которое приводит к искажению состояния поляризации света и к ошибкам измерения тока в высоковольтной сети.

В-третьих, в процессе напыления зеркальных покрытий на поверхности призмы 4 (фиг. 1) происходит местный нагрев, что приводит к появлению остаточных тепловых напряжений в стекле призмы 4 и к погрешностям измерения тока i.

В-четвертых, приклеивание поляризаторов 3, 5 (фиг. 1) к призме 4 приводит также к дополнительным ошибкам измерения тока. Дело в том, что показатели преломления и объемное и линейное расширения оптического клея, поляризационной пленки (поляризаторов) отличаются от тех же характеристик стекла призмы 4. Поэтому при изменениях температуры воздуха в пределах от +45° до - 50° в стекле призмы 4 возникают также механические нагрузки, что приводит к дополнительным погрешностям измерений тока.

Предлагается новая ячейка Фарадея двухканальная для измерения переменного тока в высоковольтных сетях, свободная от упомянутых недостатков.

Предлагаемое устройство содержит точный и грубый каналы, в которых установлены последовательно (попарно) первые подающие свет многомодовые волоконные световоды, коллиматоры формирующие параллельные пучки света диаметром, например D=10 мм, первые линейные поляризаторы, стеклянные магниточувствительные элементы с различными значениями постоянной Верде, закрепленные внутри общего соленоида, образованного фрагментом проводника сети, вторые линейные поляризаторы, плоскости пропускания которых совпадают с главными сечениями установленных за ними призм типа БР-180° и составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов. Далее установлены линзы, фокусирующие свет на торцы вторых многомодовых световодов.

Магниточувствительные элементы выполнены в виде двух пар отдельных стеклянных цилиндров диаметров D+2мм с полированными основаниями, соответственно, два из стекла с высоким значением постоянной Верде, например, из стекла марки ТФ5 (для точного канала) и два из стекла с низким значением постоянной Верде, например, из стекла марки К8 (для грубого канала).

Причем, эти две пары стеклянных цилиндров установлены так, что прошедшие пучки света по первому цилиндру каждой пары каждого канала призмами БР-180° направляются обратно, но во вторые (соседние) цилиндры каждой пары.

Непосредственно после магниточувствительных элементов (стеклянных цилиндров) перед собирающими свет линзами установлены дополнительные линейные поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют углы 90° с плоскостями пропускания первых поляризаторов.

Далее подробно описывается предлагаемое устройство и иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана оптическая схема точного канала известной ячейки Фарадея двухканальной.

На фиг. 2 показана оптическая схема грубого канала известной ячейки Фарадея двухканальной.

На фиг. 3 показана известная ячейка Фарадея в сборе.

На фиг. 4 показана принципиальная схема предлагаемой ячейки Фарадея двухканальной.

На фиг. 5 показана предлагаемая ячейка Фарадея двухканальная в сборе.

Предлагаемая ячейка Фарадея двухканальная содержит точный и грубый каналы.

В точном канале установлены последовательно по ходу лучей первый подающий свет многомодовый волоконный световод 1 (фиг. 4), коллиматор 2, формирующий свет параллельный пучок света диаметром D, например D=10 мм, первый линейный поляризатор 3, магниточувствительный элемент, выполненный в виде пары отдельных стеклянных цилиндров 4 и 4' (фиг. 4) диаметром D+2 мм=12 мм с полированными основаниями из стекла с высоким значением постоянной Верде, например из стекла марки ТФ5, второй линейный поляризатор 5, приклеенный к призме 13 типа БР-180°, собирающая свет линза 6 и второй многомодовый волоконный световод 7.

В грубом канале установлены последовательно первый многомодовый волоконный световод 8 (фиг. 4), коллиматор 9, формирующий параллельный пучок света также диаметром D=10 мм, первый линейный поляризатор 10, магниточувствительный элемент, выполненный в виде пары отдельных стеклянных цилиндров 11 и 11' диаметром D+2 мм=12 мм с полированными основаниями из стекла с низким значением постоянной Верде, например из стекла марки К8, второй линейный поляризатор 12, приклеенный к призме 13' типа БР-180°, собирающая свет линза 14 и второй многомодовый волоконный световод 15. Магниточувствительные элементы 4, 4', 11 и 11' точного и грубого каналов размещены внутри общего соленоида 16, образованного фрагментом проводника высоковольтной сети.

После вторых поляризаторов 5 и 12 в обоих каналах установлены призмы 13 и 13' типа БР-180° так, что прошедшие пучки света по первым цилиндрам 4 и 11 призмами 13 и 13' направляются обратно, но во вторые цилиндры 4' и 11'. Плоскости пропускания вторых поляризаторов 5 и 12 совпадают с плоскостями главных сечений призм БР-180° и составляют углы ±45° с плоскостями пропускания поляризаторов 3 и 10, а послевторых цилиндров 4' и 11' каждого канала установлены дополнительные линейные поляризаторы 17, 18, плоскости пропускания которых составляют углы 90° с плоскостями пропускания первых поляризаторов 3 и 10.

Конструктивно предлагаемая ячейка Фарадея двухканальная состоит из единого пластикового корпуса 19 (фиг. 5) с колпаком 20, внутри которого установлен теплоизоляционный цилиндр 21, например, из пенопласта с четырьмя отверстиями для установки стеклянных цилиндров 4, 4' и 11, 11' и с пазами 22, 23 для закрепления призм 13, 13'. В корпусе 19 жестко закреплены подающие свет волоконные световоды 1, 8 (фиг. 4, 5), коллиматоры 2, 9, линзы 6, 14, а также поляризаторы 3, 17 точного канала и поляризаторы 10, 18 грубого канала. В верхней части теплоизоляционного цилиндра 21 выполнены пазы 22, 23 для установки и закрепления призм 13, 13', к гипотенузным граням которых прикреплены поляризаторы 5, 12, плоскости пропускания которых совпадают с плоскостями главных сечений призм 13, 13'.

Стеклянные цилиндры 4, 4' и 11, 11' закреплены в теплоизоляционном цилиндре 21 так, что они не имеют теплового контакта между собой и с другими элементами оптической схемы.

Между колпаком 20 и соленоидом 16 имеется воздушный зазор не менее 6 мм для естественного прохождения воздуха и их охлаждения.

На фиг. 4 и фиг. 5 для примера показан соленоид 16 в виде одного витка, выполненного из медной шины сечением 100×10 мм² для работы с номинальным током сети i_н≤3000 А.

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

Работа точного канала

Свет в виде расходящегося пучка первым многомодовым волоконным световодом 1 (фиг. 4) подается на коллимирующую линзу 2. Торец волоконного световода 1 находится в фокусе линзы 2, поэтому линза 2 формирует коллимированный пучок света, который после диафрагмы (на чертежах не показана) имеет диаметр D.

Если предположить, что квазимонохроматический свет с длиной волны λ_mах=650 нм падающий на волоконный световод, частично поляризован, то его можно представить вектором Стокса [7]:

где - интенсивность света, прошедшего через входной торец первого волоконного световода 1 (фиг. 4) точного канала;

Р₁, Р₂, Р₃ - нормированные параметры Стокса пучка света, падающего на световод 1.

Многомодовый волоконный световод 1 является хорошим деполяризатором света и его можно представить матрицей преобразования

где τ_в≈1 - коэффициент пропускания света волоконным световодом 1 с учетом виньетирования на его торцах.

После перемножения матриц (18) и (19) получаем вектор Стокса, характеризующий неполяризованный коллимированный пучок света, падающий на поляризатор 3:

Далее пучок света проходит поляризатор 3, становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого составляет угол 45° с главным сечением призмы 13, проходит первый магниточувствительный элемент (стеклянный цилиндр) 4, поляризатор 5, плоскость пропускания которого совпадает с главным сечением призмы 13, дважды полностью отражается в плоскости главного сечения призмы 13, второй раз проходит поляризатор 5, второй стеклянный цилиндр 4', дополнительный линейный поляризатор 17 и линзой 6 фокусируется на торце второго волоконного световода 7, который передает свет фотоприемнику (на чертежах не показан).

По сути рассматриваемая схема (фиг. 4) состоит из двух простейших ячеек Фарадея, установленных последовательно. Одна - когда свет первый раз проходит поляризатор 3, магниточувствительный элемент (цилиндр) 4, поляризатор 5 и призму 13, а вторая - когда свет второй раз проходит поляризатор 5, второй магниточувствительный элемент 4' и поляризатор 17.

Интенсивность света I_т на выходе призмы 13 первом проходе пропорционально первому параметру вектора Стокса, который можно найти после перемножения матриц преобразования поляризованного света элементами оптики согласно уравнению

- матрица преобразования линейно поляризованного света цилиндром 4 за один проход;

После перемножения матриц в уравнении (21) находим первый параметр вектора Стокса, характеризующий изменение интенсивности света I, вышедшего из призмы 13

Отношение Q_т переменной составляющей к постоянной составляющей сигнала точного канала, характеризующее угол поворота плоскости поляризации а, совпадает с формулой (7) для простой ячейки Фарадея, а именно

Далее линейно поляризованный свет повторно проходит поляризатор 5, стеклянный цилиндр 4' и поляризатор 17.

При этом на поляризатор 5 падает линейно поляризованный свет, плоскость поляризации которого совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 5. Поэтому перед матрицей йодно-поливинилового поляризатора 5 следует учитывать коэффициент пропускания 0,88.

После дальнейшего перемножения матриц

получаем первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света после поляризатора 17:

где K - постоянный коэффициент;

α_max - максимальный угол поворота плоскости поляризации.

Отношение Q_т переменной составляющей к постоянной составляющей света I в точном канале характеризует величину угла поворота плоскости поляризации света, вызванного эффектом Фарадея в стекле ТФ5

Величина измеряемого тока i пропорциональна отношению Q_т (7) и отношению (9)

где N=1 - число витков фрагмента проводника 16 с током сети;

V_ТФ5 - постоянная Верде стекла ТФ5 цилиндров 4, 4';

L=2h - длина пути света, пройденного по цилиндрам 4 и 4' высотой h.

Волоконный световод 7 передает свет фотоприемнику точного канала (на чертежах не показан), в котором интенсивность света I преобразуется в электрический сигнал, после чего процессором вычисляется отношение Q_т переменной составляющей к постоянной составляющей, вычисляется значение измеряемого тока i, его значение индицируется на табло и с помощью интерфейса величина измеренного тока внешним устройствам.

Работа грубого канала

Свет в виде расходящегося пучка, вышедший из многомодового световода 8 (фиг. 4) подается на коллимационную линзу 9, которая формирует коллимированный пучок света интенсивностью I₀₂ диаметром D.

Известно, что многомодовое волокно световода 8 является хорошим деполяризатором, поэтому вышедший из него свет так же, как и в точном канале, неполяризован и его можно характеризовать вектором Стокса (20).

Далее неполяризованный пучок света проходит поляризатор 10, становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого составляет угол 45° с плоскостью главного сечения призмы 13, проходит первый стеклянный цилиндр 11, поляризатор 12, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью главного сечения призмы 13', дважды призму 13' полностью отражается в плоскости главного сечения призмы 13', второй раз проходит поляризатор 12, второй стеклянный цилиндр 1 Г, дополнительный линейный поляризатор 18 и линзой 14 фокусируется на торце второго волоконного световода 15, который передает свет фотоприемнику (на чертежах не показан).

Как видно из фиг. 4 и фиг. 5, конструкция точного и грубого каналов одинаковы. Отличие только в том, что в точном канале магниточувствительные элементы (цилиндры 4 и 4') выполнены из стекла с высоким значением постоянной Верде, например марки ТФ5, а в грубом канале - из стекла с низким значением постоянной Верде, например марки К8.

Поэтому по подобию с точным каналом первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света после поляризатора 18 грубого канала можно представить уравнением:

где K - постоянный коэффициент;

- максимальный угол поворота плоскости поляризации света цилиндрами 11 и 11' из стекла К8.

Соответственно, находим отношение

и величину тока

Так, например, если при номинальном токе i_н - 2000 А напряженность магнитного поля в центре соленоида 16 составляет =2000 Авит и при этом в цилиндрах 4 и 4' точного канала наблюдается эффект Фарадея α_max=5,6°, то в это же время в цилиндрах 11 и 11' грубого канала будет эффект Фарадея

где - отношение значений постоянной Верде стекла ТФ5 к стеклу К8.

Это означает, что если i_н=500 А и если считать допустимым изменение угла поворота плоскости поляризации α'_mах в грубом канале от 0 до 35°, то диапазон измерения тока i_max составляет от 0 до 11780 А. Кратность тока при этом составляет γ=11780/500=23,56, что в большинстве случаев вполне достаточно для нормальной работы релейной защиты и автоматики. Но если в особых случаях требуется обеспечить работу грубого канала при более высоких значениях кратности тока у, то можно, например, уменьшить длину цилиндров 11 и 1 Г в грубом канале, либо увеличить длину цилиндров 4 и 4' в точном канале.

Предлагаемая ячейка Фарадея двухканальная для измерения переменного тока в высоковольтных сетях имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известным прототипом.

Во-первых, в предлагаемом устройстве между поляризаторами нет никаких зеркальных покрытий. Следовательно, нет искажения состояния поляризации пучков света, проходящих по цилиндрам 4, 4' и 11, 11'.

Изменение направления распространения света на 180° в каждом канале предлагаемого устройства происходит благодаря явлению полного внутреннего отражения в стеклах призм БР-180° 13 и 13', которые установлены после поляризаторов 5 и 12. К тому же направления плоскости поляризации поляризаторов 5 и 12 совпадают с главными сечениями призм 13, 13', то есть на границы стекло-воздух призм 13 и 13' падает свет, содержащий только одну компоненту поляризованного света и изменения разности фаз между перпендикулярной и параллельными компонентами поляризованного света происходить не может.

Во-вторых, в предлагаемом устройстве в каждом канале вместо массивных стеклянных призм используется пара стеклянных цилиндров объем стекла, в которых примерно в 5 раз меньше, чем у прототипа. Это означает, что при появлении градиента температуры выравнивание температуры в каждой точке объема стекла происходит гораздо быстрее и термические нагрузки в стекле существенно уменьшаются.

В-третьих, на торцы стеклянных цилиндров 4, 4' и 11, 11' ничего не наклеивается и на них ничего не напыляется. Значит при любых изменениях температуры стекла цилиндров 4, 4' и 11, 11' остаются изотропными и состояние поляризации проходящих по ним пучков света не искажаются.

В-четвертых, стеклянные цилиндры 4, 4' и 11, 11' надежно термоизолированы как друг от друга, так и от колпака 19 и корпуса 18, чтосущественно уменьшает вероятность появления градиента температуры, натяжений в стеклах и, соответственно, уменьшает погрешности измерений токов в высоковольтных сетях, даже в случаях предельных значений температур в процессе эксплуатации.

В-пятых, конструкция предлагаемой ячейки Фарадея двухканальной простая, не содержит дефицитных или дорогих материалов. Поэтому она является наиболее удобной для серийного и массового производства.

Предлагаемая ячейка Фарадея найдет широкое применение в высоковольтных сетях любых классов для измерения практически любых токов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

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

2. «Фотоника», том 12, №7(75), 2018, с. 704-715.

3. Патент РФ №171401 (полезная модель) от 30.11.2016.

4. ГОСТ 7746-2001 Трансформаторы тока. Общие технические требования.

5. Патент РФ №2752341 от 25.09.2020 г.

6. Пеньковский А.И. Измерение поляризационных характеристик света при отражении от раздела двух изотропных сред. Журнал «ОМП» №5, 1986 г.

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

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к измерителям тока оптическим (ИТО), в которых используется эффект Фарадея. Изобретение будет использоваться в электроэнергетике, например, в высоковольтных сетях различных классов. Суть изобретения: предлагаемая ячейка Фарадея содержит два канала: точный для коммерческого учета электроэнергии и грубый для обеспечения работы релейной защиты и автоматики. Каждый из каналов содержит подающий свет многомодовый световод, коллиматор, первый поляризатор, первый стеклянный цилиндр, второй поляризатор, призму типа БР-180°, второй стеклянный цилиндр, дополнительный поляризатор, собирающую свет линзу и второй световод. Пара цилиндров точного канала выполнена из стекла марки ТФ5, пара цилиндров грубого канала выполнена из стекла К8. Обе пары стеклянных цилиндров закреплены внутри соленоида, выполненного из фрагмента проводника сети с током. Плоскости пропускания вторых поляризаторов совпадают с плоскостью главного сечения призм БР-180° и составляют угол 45° с первым поляризатором. Плоскость пропускания дополнительного поляризатора составляет угол 90° с плоскостью пропускания первого поляризатора. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности поляризации и упрощение благодаря тому, что нет искажения состояния поляризации пучков света. При этом в каждом канале вместо массивных стеклянных призм используется пара стеклянных цилиндров, объем стекла в которых примерно в 5 раз меньше. 5 ил.

Ячейка Фарадея двухканальная для измерения переменного тока в высоковольтных сетях, содержащая точный и грубый каналы, в каждом из них установлены последовательно первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллиматор, формирующий параллельный пучок света диаметром D, первый линейный поляризатор, магниточувствительный элемент, второй линейный поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фокусирующую свет линзу, второй многомодовый волоконный световод, причем магниточувствительные элементы точного и грубого каналов размещены внутри общего соленоида, образованного фрагментом проводника сети, отличающаяся тем, что магниточувствительные элементы выполнены в виде двух пар отдельных стеклянных цилиндров диаметром D+2 мм с полированными основаниями, соответственно одна пара из стекла с высоким значением постоянной Верде, например, из стекла марки ТФ5 для точного канала и вторая пара из стекла с низким значением постоянной Верде, например из стекла марки К8, для грубого канала, после первых цилиндров в каждом канале установлены вторые линейные поляризаторы и призмы типа БР-180° так, что прошедшие пучки света по первому цилиндру каждой пары каждого канала призмами БР-180° направляются обратно, но во вторые цилиндры каждой пары, плоскости пропускания вторых поляризаторов совпадают с плоскостями главных сечений призм БР-180°, а после вторых цилиндров каждого канала установлены дополнительные линейные поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют углы 90° с плоскостями пропускания первых поляризаторов.