RU2663545C1 - Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks - Google Patents
Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663545C1 RU2663545C1 RU2017130458A RU2017130458A RU2663545C1 RU 2663545 C1 RU2663545 C1 RU 2663545C1 RU 2017130458 A RU2017130458 A RU 2017130458A RU 2017130458 A RU2017130458 A RU 2017130458A RU 2663545 C1 RU2663545 C1 RU 2663545C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarizer
- light
- optical
- current
- active element
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 23
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 4
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000010616 electrical installation Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 2
- -1 aspect ratio Substances 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002889 diamagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых используется эффект поворота плоскости поляризации света веществом, находящемся в продольном магнитном поле (эффект Фарадея). Изобретение может быть использовано в электроэнергетике, например, в высоковольтных сетях различных классов, в сетях электротранспорта, металлургии и других электроустановках.The invention relates to optical instrumentation, and more specifically to optical polarization devices, which use the effect of rotation of the plane of polarization of light by a substance located in a longitudinal magnetic field (Faraday effect). The invention can be used in the electric power industry, for example, in high voltage networks of various classes, in electric transport networks, metallurgy and other electrical installations.
Обычно для измерения переменного тока в высоковольтных сетях используют электромагнитные трансформаторы тока, содержащие первичную обмотку из одного-двух витков (фрагмент проводника высоковольтной линии) и вторичную обмотку, содержащую большое количество витков, которая соединена с контрольной аппаратурой, находящейся под нулевым потенциалом земли. Между первичной и вторичной обмотками находится изоляционный материал, например, специальное масло или элегаз. Главным недостатком таких трансформаторов является высокая вероятность пробоя изоляции между обмотками, что грозит опасностью возникновения пожара.Usually, electromagnetic current transformers containing a primary winding of one or two turns (a fragment of a high-voltage line conductor) and a secondary winding containing a large number of turns, which is connected to control equipment located at zero ground potential, are used to measure alternating current in high-voltage networks. Between the primary and secondary windings there is an insulating material, for example, special oil or SF6. The main disadvantage of such transformers is the high probability of breakdown of insulation between the windings, which threatens the risk of fire.
Альтернативой традиционным электромагнитным трансформаторам тока являются оптико-электронные измерители тока. В основу данных измерителей положено явление вращения плоскости поляризации света прозрачным веществом, находящемся в продольном, относительно направления распространения света магнитном поле, открытом М. Фарадеем [1]. Исследования в области создания оптико-электронных измерителей тока ведутся давно [2].An alternative to traditional electromagnetic current transformers are optoelectronic current meters. These meters are based on the phenomenon of rotation of the plane of polarization of light by a transparent substance located in a longitudinal magnetic field relative to the direction of light propagation, discovered by M. Faraday [1]. Research in the field of creation of optoelectronic current meters has been underway for a long time [2].
Основным узлом подобных устройств является так называемая ячейка Фарадея, состоящая из двух линейных поляризаторов, между которыми установлено активное прозрачное вещество, например, стекло, обладающее большой постоянной Верде, помещенное в магнитное поле так, что магнитные силовые линии поля совпадают с направлением распространения линейно поляризованного света в веществе.The main node of such devices is the so-called Faraday cell, which consists of two linear polarizers, between which an active transparent substance is installed, for example, glass with a large Verdet constant, placed in a magnetic field so that the magnetic field lines of the field coincide with the direction of propagation of linearly polarized light in the substance.
Под действием продольных силовых линий магнитного поля фрагмента проводника высоковольтной линии активное вещество приобретает способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света на уголUnder the action of the longitudinal magnetic field lines of the high-voltage line conductor fragment, the active substance acquires the ability to rotate the plane of polarization of linearly polarized light by an angle
где: Н - значение напряженности продольного магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;where: H is the value of the longitudinal magnetic field acting on the active element of the Faraday cell;
V - постоянная Верде материала активного элемента;V is the Verdet constant of the material of the active element;
- длина пути, пройденного пучком света в активном элементе; - the length of the path traveled by a beam of light in the active element;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля;β is the angle between the direction of light propagation and the direction of the lines of force of the magnetic field;
N - число витков фрагмента проводника с током;N is the number of turns of a fragment of a conductor with current;
i - ток, протекающий по проводнику;i is the current flowing along the conductor;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние до проводника, соотношение сторон, сечения проводника и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках активного элемента.k is a design coefficient that takes into account the distance to the conductor, aspect ratio, conductor cross-section and averaging of the magnetic field at various points of the active element.
По измеренной величине угла поворота плоскости поляризации α можно определить величину тока i, протекающего по фрагменту проводникаFrom the measured value of the angle of rotation of the plane of polarization α, it is possible to determine the magnitude of the current i flowing through a conductor fragment
где N, k, V и - постоянные величины для конкретной конструкции ячейки Фарадея.where N, k, V and - constant values for the specific design of the Faraday cell.
Известны устройства, у которых в качестве активного вещества ячейки Фарадея используют оптическое волокно. Типичным представителем таких устройств является токоизмерительная система по патенту США [3]. В ней содержится источник света и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно, поляризатор, катушка из одномодового оптического волокна, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, второе многомодовое оптическое волокно, фотоприемник и электронный блок.Devices are known in which an optical fiber is used as the active substance of a Faraday cell. A typical representative of such devices is a current measuring system according to the US patent [3]. It contains a light source and a multimode optical fiber, a polarizer, a coil of single-mode optical fiber, a second polarizer, the transmission plane of which is an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer, the second multimode optical fiber, a photodetector, and an electronic unit.
В процессе прохождения тока i по фрагменту проводника высоковольтной линии вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого совпадают с витками катушки из оптического одномодового волокна, следовательно, совпадают с направлением распространения лучей света. В результате в оптическом волокне происходит эффект поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света (эффект Фарадея).During the passage of current i through a fragment of a conductor of a high-voltage line, a magnetic field arises around it, the lines of force of which coincide with the turns of a coil of optical single-mode fiber, and therefore coincide with the direction of propagation of light rays. As a result, the effect of rotation of the plane of polarization of linearly polarized light (the Faraday effect) occurs in an optical fiber.
Однако известно, что принцип работы любого оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения света, при котором между взаимоортогональными компонентами поляризованного света неизбежно возникает разность фаз δ [1] и свет становится эллиптически поляризованным. Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависят от ориентации плоскости падения света на границу раздела сердцевины оптического волокна с его оболочкой и угла преломления при каждом акте полного внутреннего отражения света внутри оптического волокна. В процессе прохождения линейно поляризованного света по одномодовому волокну угол падения света на границу раздела между сердцевиной волокна и его оболочкой близок к 90° и возникающая при этом разность фаз δ не велика по сравнению с тем, что наблюдается в многомодовом оптическом волокне. Но она есть всегда. Кроме того, при изгибе оптического волокна в нем неизбежно возникают механические нагрузки, которые приводят к появлению двойного лучепреломления.However, it is known that the principle of operation of any optical fiber is based on the phenomenon of total internal reflection of light, in which a phase difference δ [1] inevitably arises between mutually orthogonal components of polarized light and the light becomes elliptically polarized. The magnitude of the phase difference δ and the degree of ellipticity depend on the orientation of the plane of incidence of light at the interface between the core of the optical fiber and its cladding and the angle of refraction during each event of total internal reflection of light inside the optical fiber. During the passage of linearly polarized light through a single-mode fiber, the angle of incidence of light at the interface between the fiber core and its cladding is close to 90 ° and the resulting phase difference δ is not large compared with what is observed in a multimode optical fiber. But she is always there. In addition, when bending an optical fiber, mechanical loads inevitably arise in it, which lead to the appearance of birefringence.
Поэтому любое оптическое волокно можно представить в виде набора фазовых пластинок с различными направлениями главных осей, преобразующих линейно поляризованный свет в эллиптически поляризованный.Therefore, any optical fiber can be represented as a set of phase plates with different directions of the main axes, converting linearly polarized light to elliptically polarized.
В процессе распространения линейно поляризованного света в оптическом волокне происходит хаотическое преобразование состояния поляризации света и на выходе оптического волокна вместо линейно поляризованного света получаем частично поляризованный свет (если волокно одномодовое) или полностью не поляризованный свет (если волокно многомодовое).During the propagation of linearly polarized light in an optical fiber, a random transformation of the state of polarization of light occurs, and instead of linearly polarized light, at the output of the optical fiber we obtain partially polarized light (if the fiber is single-mode) or completely non-polarized light (if the fiber is multi-mode).
В результате одновременно с эффектом поворота плоскости поляризации на угол α в одномодовом волокне происходит частичная деполяризация света с коэффициентом деполяризации Δр.As a result, simultaneously with the effect of rotation of the plane of polarization by an angle α in a single-mode fiber, partial depolarization of light occurs with a depolarization coefficient Δp.
Следовательно, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде одномодового оптического волокна, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразованияConsequently, the active element of the Faraday cell, made in the form of a single-mode optical fiber, can be represented by a transformation matrix by the effect on linearly polarized light
где: р=1-Δр - степень поляризации света;where: p = 1-Δp is the degree of polarization of light;
α - угол поворота плоскости поляризации света оптическим волокном под воздействием магнитного поля.α is the angle of rotation of the plane of polarization of light by an optical fiber under the influence of a magnetic field.
Интенсивность света I после ячейки Фарадея можно найти из уравненияThe light intensity I after the Faraday cell can be found from the equation
где - искомый вектор Стокса;Where - the desired Stokes vector;
- вектор Стокса неполяризованного света интенсивностью IO источника света;is the Stokes vector of unpolarized light with the intensity I O of the light source;
- матрица преобразования света первым линейным поляризатором, плоскость пропускания которого, например, горизонтальна;- a light conversion matrix by a first linear polarizer, the transmission plane of which, for example, is horizontal;
- матрица преобразования света вторым линейным поляризатором, плоскость пропускания которого составляет угол 45° по отношению к первому поляризатору.- light conversion matrix by a second linear polarizer, the transmission plane of which is an angle of 45 ° with respect to the first polarizer.
После перемножения матриц (5-7) находим искомый первый параметр Стокса, пропорциональный интенсивности светаAfter multiplying the matrices (5-7), we find the desired first Stokes parameter proportional to the light intensity
По фрагменту проводника высоковольтной линии протекает переменный ток с частотой 50 Гц, следовательно, напряженность магнитного поля Н тоже переменна и на выходе ячейки Фарадея фотоприемник воспринимает свет, изменяющийся по законуAn alternating current with a frequency of 50 Hz flows through a fragment of a conductor of a high-voltage line, therefore, the magnetic field H is also variable, and at the output of the Faraday cell, the photodetector senses light that varies according to the law
где: αmах - максимальный угол поворота плоскости поляризации, соответствующий моменту максимального тока:where: α max - the maximum angle of rotation of the plane of polarization corresponding to the moment of maximum current:
ω=(50±1)Гц - частота сети.ω = (50 ± 1) Hz - network frequency.
Из уравнения (9) видно, что в отсутствии тока i в сети, когда Н=0 и α=0, интенсивность света I=0,25 I0 и в спектре сигнала фотоприемника присутствует только постоянная составляющая U==0,25 I0. При протекании по фрагменту проводника переменного тока i=imaxsinωt в спектре сигнала фотоприемника появляется переменная составляющаяFrom equation (9) shows that in the absence of current i in the network, when H = 0 and α = 0, the light intensity I = 0,25 I 0 and the spectrum of the photodetector signal is present only the constant component U = = 0,25 I 0 . When an alternating current conductor i = i max sinωt flows through a fragment of a conductor, an alternating component appears in the spectrum of the photodetector signal
Блок преобразования сигналов вычисляет отношениеThe signal conversion unit calculates the ratio
а затем искомый ток i во фрагменте проводникаand then the desired current i in the conductor fragment
Из уравнения (12) видно, что степень (уровень) поляризации света р напрямую влияет на величину угла вращения плоскости поляризации α и, следовательно, на результат измерения тока i.From equation (12) it is seen that the degree (level) of polarization of light p directly affects the value of the angle of rotation of the plane of polarization α and, therefore, the result of measuring the current i.
Известно, что многомодовое оптическое волокно практически полностью деполяризует свет. Поляризованный свет р=1 превращается в неполяризованный р=0 и поэтому многомодовое оптическое волокно непригодно для использования в качестве активного элемента ячейки Фарадея. Одномодовое оптическое волокно (диаметр волокна примерно 4 мкм) при небольшой длине частично сохраняет поляризацию, однако, существует ряд существенных трудностей ввода в такое волокно пучка света с достаточной величиной светового потока. Кроме того, в процессе изготовления катушки из оптического волокна происходит изгиб волокна, при котором появляются неконтролируемые механические напряжения в волокне, что приводит к еще большей деполяризации света и, в конечном счете, к существенным неконтролируемым ошибкам измерения переменного тока.It is known that a multimode optical fiber almost completely depolarizes light. Polarized light p = 1 turns into unpolarized light p = 0 and therefore a multimode optical fiber is unsuitable for use as an active element of a Faraday cell. A single-mode optical fiber (fiber diameter of about 4 μm) with a small length partially retains the polarization, however, there are a number of significant difficulties in introducing a light beam into such a fiber with a sufficient amount of luminous flux. In addition, during the manufacture of an optical fiber coil, fiber bending occurs, in which uncontrolled mechanical stresses appear in the fiber, which leads to even more depolarization of light and, ultimately, to significant uncontrolled errors in measuring AC current.
Поэтому рекламируемые оптические измерители тока, у которых в качестве активного элемента ячейки Фарадея используются катушки из одномодового оптического волокна, имеют существенные перечисленные выше недостатки.Therefore, the advertised optical current meters, in which coils of single-mode optical fiber are used as the active element of the Faraday cell, have the significant disadvantages listed above.
Более совершенным устройством и наиболее близким прототипом является оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [4].A more advanced device and the closest prototype is an optical meter of alternating current in high-voltage networks [4].
Известный оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях [4] содержит источник света 1 (фиг. 1), многомодовое оптическое волокно 2, торец которого находится фокальной плоскости установленной за ним коллимирующей линзы 3, первый поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5, выполненный из оптического стекла, находящийся в продольном (по отношению к направлению света) магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая линза 8, второе многомодовое волокно 9, фотоприемник 10. Фотоприемник 10 подключен к усилителю, который находится в блоке преобразования сигналов 11. Активный элемент 5 ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной призмы 5 из стекла ТФ5, обладающего высокой постоянной Верде. Первое основание призмы 5, на которое падает свет, полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полосы. Другое основание призмы 5 разделено на три равные прямоугольные зоны. По обе стороны от центральной зоны содержатся две полированные поверхности с зеркальными покрытиями, которые составляют с плоскостью центральной зоны одинаковые углыThe known optical meter of alternating current in high voltage networks [4] contains a light source 1 (Fig. 1), a multimode
где: D - диаметр коллимированного пучка света;where: D is the diameter of the collimated beam of light;
h - высота четырехугольной призмы 5.h is the height of the
Вблизи широкой грани призмы 5 расположен фрагмент проводника сети в виде плоской шины 6. Свет от источника 1 по многомодовому оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей призмы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 4 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации света параллелен одной из боковых граней призмы 5, например, широкой грани. Линейно поляризованный коллимированный пучок света четырехкратно проходит призму 5, проходит поляризатор 7, плоскость пропускания которого ±45°, и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.A fragment of a network conductor in the form of a
Если ток i по шине 6 не проходит и напряженность магнитного поля вокруг шины Н=0, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10,If the current i on the
где: I0 - интенсивность света, падающего на поляризатор 4;where: I 0 - the intensity of the light incident on the
R- Коэффициент отражения света от трех зеркальных поверхностей призмы 5.R- Light reflection coefficient from three mirror surfaces of
Если по шине 6 протекает переменный ток i=imaxsinωt частоты сети ω, то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностьюIf alternating current i = i max sinωt of the frequency of the network ω flows through
и преобразует его в электрический сигналand converts it into an electrical signal
который в электронном блоке 11 формируется в виде постоянной составляющей U==U0 и переменной составляющей U~=U0[sin(2αmaxsinωt)]. В электронном блоке 11 вычисляется отношениеwhich in the
а затем вычисляется искомый ток i, протекающий по шине 6, согласно формулеand then the desired current i flowing along the
где N=1 - число витков шины 6;where N = 1 is the number of turns of the
V - постоянная Верде стекла призмы 5;V is the Verdet constant of the
- длина пути, пройденного света в призме 5; - the length of the path traveled by the light in the
М - коэффициент, характеризующий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля шины 6.M is a coefficient characterizing the efficiency of using the longitudinal component of the magnetic field of the
Анализируя формулы (16) и (17) находим, что отношение переменной составляющей U~ к постоянной составляющей U= сигнала фотоприемника 10 при малых углах α пропорционально искомой величине тока i и не зависит от изменения величины UO, то есть Q является нормированной величиной.Analyzing formulas (16) and (17), we find that the ratio of the variable component U ~ to the constant component U = of the
Испытания показали, что если по фрагменту проводника 6 протекает переменный ток, то с помощью известного оптического измерителя переменного тока [4] можно производить измерения тока, например, в диапазоне от 0 до 600А с точностью ±0,5 А.Tests have shown that if an alternating current flows through a fragment of a
Существенным недостатком известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях [4] является его практическая непригодность для работы в сетях постоянного тока.A significant drawback of the known optical AC meter in high voltage networks [4] is its practical unsuitability for operation in DC networks.
Так, если по шине 6 (фиг. 1) будет протекать постоянный ток, то на выходе фотоприемника 10 получим сигнал, изменяющийся по законуSo, if a constant current flows through bus 6 (Fig. 1), then at the output of
Из формулы (19) видно, что при постоянном токе нет признаков для разделения постоянной составляющей сигнала U0, независящей от угла поворота плоскости поляризации света α и составляющей U0sin2α, зависящей от изменения угла α.From formula (19) it can be seen that at constant current there are no signs for separation of the constant component of the signal U 0 , independent of the angle of rotation of the plane of polarization of light α and component U 0 sin2α, depending on the change in the angle α.
В этом случае для угла α и тока i можно записатьIn this case, for angle α and current i, we can write
Из выражений (20) и (21) видно, что любое неконтролируемое изменение постоянной составляющей сигнала фотоприемника ведет к погрешностям измерения угла α и, соответственно, тока i.It can be seen from expressions (20) and (21) that any uncontrolled change in the constant component of the photodetector signal leads to errors in measuring the angle α and, accordingly, the current i.
Применение особых стабилизаторов питания источника света 1 и питания усилителя сигнала фотоприемника 10 не избавляет полностью от погрешностей измерения постоянного тока. Например, изменения величины сигнала фотоприемника 10 могут происходить в результате жестких климатических условий эксплуатации.The use of special stabilizers of the power supply of the light source 1 and the power of the signal amplifier of the
Предлагается новый оптический измеритель переменного и постоянного тока, свободный от упомянутого недостатка.A new optical meter of alternating and direct current is proposed, free from the mentioned drawback.
Оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях содержит источник света и установленные последовательно по ходу лучей света многомодовое оптическое волокно, торец которого находится в фокальной плоскости установленной за ним коллимирующей линзы, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный из стекла с высоким значением постоянной Верде, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью поляризации первого поляризатора, собирающая свет линза, второе многомодовое оптическое волокно, фотоприемник, электронный блок с преобразователем сигналов, вычислителем и индикатором результатов измерения. С целью измерения как переменного, так и постоянного токов в высоковольтных сетях первый поляризатор выполнен в виде призмы Волластона с углом разведения поляризованных лучейAn optical meter of alternating and direct current in high-voltage networks contains a light source and a multimode optical fiber installed sequentially along the rays of light, the end of which is in the focal plane of the collimating lens installed behind it, the first polarizer, the active element of the Faraday cell made of glass with a high constant value Verde, located in a longitudinal magnetic field of a conductor fragment with a high-voltage network current, is a second polarizer, the transmission plane of which was it has an angle of ± 45 ° with the plane of polarization of the first polarizer, a light-collecting lens, a second multimode optical fiber, a photodetector, an electronic unit with a signal converter, a computer, and an indicator of the measurement results. In order to measure both alternating and constant currents in high-voltage networks, the first polarizer is made in the form of a Wollaston prism with an angle of dilution of polarized rays
где: D - диаметр рабочего пучка света;where: D is the diameter of the working light beam;
L - длина пути пучка света, пройденного от призмы Волластона до второго поляризатора.L is the path length of the light beam passed from the Wollaston prism to the second polarizer.
Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде стеклянного цилиндра с полированными основаниями, на одном из которых нанесено зеркальное покрытие. Второй поляризатор выполнен в виде кольца, внутренний диаметр которого больше диаметра D рабочего пучка света, и установлен так, что выходящие из первого поляризатора два пучка света проходят через внутренние отверстия второго поляризатора. После второго поляризатора в двух разделенных и отраженных от зеркальной поверхности цилиндра пучках света установлены соответственно две одинаковые собирающие свет линзы, два одинаковых многомодовых оптических волокна, два одинаковых фотоприемника и два одинаковых линейных усилителя сигналов фотоприемников.The active element of the Faraday cage is made in the form of a glass cylinder with polished bases, one of which is coated with a mirror. The second polarizer is made in the form of a ring, the inner diameter of which is larger than the diameter D of the working light beam, and is installed so that two light beams emerging from the first polarizer pass through the internal holes of the second polarizer. After the second polarizer, two identical light-collecting lenses, two identical multimode optical fibers, two identical photodetectors, and two identical linear photodetector signal amplifiers, respectively, are installed in two beams of light separated and reflected from the mirror surface of the cylinder.
Все оптические элементы, относящиеся к ячейке Фарадея, то есть, коллиматорная линза, призма Волластона, стеклянный цилиндр, второй поляризатор в виде кольца, собирающие свет линзы, закреплены в едином монолитном корпусе из диэлектрического материала. Фрагмент проводника высоковольтной сети состоит из набора соединенных параллельно отдельных проводников, например шин, и выполнен в виде соленоида, охватывающего активный элемент ячейки Фарадея, состоящего из n витков, где 1≤n≤6.All optical elements related to the Faraday cell, that is, a collimator lens, a Wollaston prism, a glass cylinder, a second ring-shaped polarizer that collects lens light, are mounted in a single monolithic body of dielectric material. A fragment of a conductor of a high-voltage network consists of a set of separate conductors connected in parallel, for example, buses, and is made in the form of a solenoid, covering the active element of a Faraday cell, consisting of n turns, where 1≤n≤6.
На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях [4].In FIG. 1 is a structural diagram of a known optical AC meter in high voltage networks [4].
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого оптического измерителя переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях.In FIG. 2 shows a structural diagram of the proposed optical meter AC and DC in high voltage networks.
Предлагаемый оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях (фиг. 2) содержит источник света 1, например, в виде модуля полупроводникового квантового генератора, с максимумом спектральной плотности излучения μ(λ) max ≈ 532 нм. И установленные последовательно по ходу лучей света многомодовое оптическое волокно 2, коллимирующая линза 3, первый поляризатор в виде призмы Волластона 4, активный элемент ячейки Фарадея в виде стеклянного цилиндра 5, установленный в продольном магнитном поле фрагмента проводника 6 с током высоковольтной сети, второй поляризатор 7, выполненный в виде кольца. Полированный торец оптического волокна 2 установлен в фокусе коллимирующей линзы 3. Угол разведения поляризованных лучей призмы Волластона 4The proposed optical meter of alternating and direct current in high-voltage networks (Fig. 2) contains a light source 1, for example, in the form of a semiconductor quantum generator module, with a maximum radiation spectral density μ (λ) max ≈ 532 nm. And the multimode
2β≥arctg(2D/L),2β≥arctg (2D / L),
где: D - диаметр рабочего пучка света после коллимационной линзы 3;where: D is the diameter of the working light beam after the
L - Длина пути пучка света, пройденного от призмы Волластона до второго поляризатора.L - The path length of the light beam passed from the Wollaston prism to the second polarizer.
Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде стеклянного цилиндра 5 с полированными основаниями. На один из полированных оснований (на противоположный тому, на который падает свет) нанесено зеркальное покрытие. Второй поляризатор 7 выполнен из поляроидной пленки в виде кольца, внутренний диаметр которого больше диаметра D рабочего пучка света и установлен так, что выходящие из первого поляризатора 4 два пуча света проходят через внутреннее отверстие второго кольцеобразного поляризатора 7. После второго поляризатора 7 в двух разделенных и отраженных от зеркальной поверхности второго основания стеклянного цилиндра 5 пучках света установлены соответственно две идентичные собирающие линзы 8, два идентичных многомодовых оптических волокна 9 и два идентичных фотоприемника 10.The active element of the Faraday cell is made in the form of a
Источник света 1, фотоприемники 10 и торцы оптических волокон 2, 9 закреплены в отдельном электронном блоке 11, где находятся два идентичных линейных усилителя 12 сигналов фотоприемников 10, преобразователи сигналов 13, 14, вычислитель 15 и индикатор результатов измерений токов 16.The light source 1, the
Все оптические элементы, относящиеся к ячейке Фарадея, размещены в единой сборке, состоящей из основания 17, вставки 18 и стакана 19 с крышкой 20. Детали сборки выполнены из диамагнитного и диэлектрического материала, например, из стеклопластика. Основание 17 имеет фланец, с помощью которого сборка ячейки Фарадея крепится к верхнему металлическому фланцу 21 высоковольтного изолятора (на фиг. 2 не показан)All optical elements related to the Faraday cage are housed in a single assembly consisting of a
Фрагмент проводника 6 высоковольтной линии выполнен в виде соленоида и охватывает ячейку Фарадея в том месте, где расположен стеклянный цилиндр 5. Соленоид 6 прикреплен кронштейнами непосредственно к верхнему фланцу 21 изолятора, но таким образом, чтобы между внутренней поверхностью соленоида 6 и стаканом 19 ячейки Фарадея был воздушный зазор. Такое крепление предотвращает механическое воздействие на ячейку Фарадея со стороны фрагмента проводника (соленоида) 6 в случаях бросков тока в высоковольтной линии или воздействию на нее порывов ветра.A fragment of the
Поскольку с ростом сечения фрагмента проводника высоковольтной линии появляются ограничения в допустимых радиусах изгиба проводников, то фрагмент проводника 6 выполнен в виде соленоида, который состоит из отдельных тонких проводников, например, прямоугольных шин, соединенных параллельно. Более тонкие проводники допускают меньший радиус изгиба, чем толстые. Поэтому набор отдельных тонких проводников, соединенных между собой параллельно, позволяет без нарушения ГОСТ на проводники изготавливать компактные соленоиды небольших диаметров и больших сечений.Since with increasing cross-section of a fragment of a conductor of a high-voltage line, restrictions arise in the allowable bending radii of the conductors, the fragment of
Такая конструкция фрагмента проводника высоковольтной линии позволяет повысить напряженность магнитного поля в области активного элемента ячейки Фарадея и тем самым повысить чувствительность и точность измерения тока.This design of a fragment of a conductor of a high-voltage line makes it possible to increase the magnetic field strength in the region of the active element of a Faraday cage and thereby increase the sensitivity and accuracy of current measurement.
Предлагаемый оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях работает следующим образом:The proposed optical meter for alternating and direct current in high voltage networks operates as follows:
Свет от источника 1 по многомодовому оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор в виде призмы Волластона 4 и разделяется, например, в плоскости чертежа (фиг. 2) на два линейно поляризованных пучка, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны. Угол разделения 2β поляризованных пучков призмой 4 удовлетворяет условию (22). Разделенные линейно поляризованные пучки света проходят стеклянный цилиндр 5, который находится в центре соленоида 6, отражаются от зеркальной поверхности основания цилиндра 5, вторично проходят стеклянный цилиндр 5 и с двух сторон по диаметру проходят второй кольцеобразный поляризатор 7. После поляризатора 7 каждый из двух пучков света линзами 8 собираются на торцах многомодовых оптических волокон 9 и подаются на фоточувствительные слои фотоприемников 10.The light from the source 1 is transmitted through a multimode
Коллимированный монохроматический пучок света источника 1, как правило, частично поляризован с произвольным азимутом поляризации ε, поэтому его излучение можно представить вектором СтоксаThe collimated monochromatic light beam of source 1, as a rule, is partially polarized with an arbitrary azimuth of polarization ε, therefore, its radiation can be represented by the Stokes vector
где: I0 - интенсивность света источника 1;where: I 0 - light intensity of source 1;
р - степень поляризации света.p is the degree of polarization of light.
Многомодовое оптическое волокно 2 по воздействию на поляризованный свет можно представить матрицей идеального деполяризатораThe multimode
Поэтому коллимированный пучок света после линзы 3, который падает на призму Волластона 4, будет не поляризован и его можно представить векторомTherefore, the collimated light beam after
Если призма Волластона 4 установлена так, что поляризованные пучки света разведены ею в горизонтальной плоскости, то плоскость поляризации одного из них горизонтальна, а другого вертикальна. В этом случае интенсивности пучков света после второго поляризатора можно найти из уравненияIf the
где: - вектор Стокса света, падающего на призму Волластона 4;Where: - Stokes vector of light incident on the prism of
- матрица преобразования призмы Волластона; - Wollaston prism transformation matrix;
- матрица преобразования стеклянного цилиндра 5, на который действует магнитное поле фрагмента проводника 6; - the transformation matrix of the
- матрица преобразования поляризатора 7. -
После перемножения матриц преобразований элементов оптики и исходного вектора находим первые параметры Стокса пучков света, характеризующие их интенсивности I1, I2, когда по соленоиду 6 течет постоянный ток и на цилиндр 5 действует постоянное магнитное поле:After multiplying the transformation matrices of the optics and the original vector we find the first Stokes parameters of light beams characterizing their intensities I 1 , I 2 when a direct current flows through
Фотоприемники 10 преобразуют пучки света с интенсивностями I1 и I2 в электрические сигналы
Линейные усилители 12 усиливают эти сигналы. Сумматор 13 суммирует сигналы
а блок 14 вычитает сигналыand block 14 subtracts the signals
Вычислитель 15 находит отношение
величину измеренного постоянного токаvalue of the measured direct current
где: - постоянная величина, зависящая от числа витков N соленоида 6, от коэффициента использования магнитного поля k, от постоянной Верде V стекла цилиндра 5 и длины пути L пучка света в цилиндре 5.Where: - a constant value, depending on the number of turns N of the
Если по соленоиду 6 течет переменный ток частоты ω и напряженность магнитного поля внутри соленоида 6 так же переменна Н=HmaxSinωt, то фотоприемники 10 будут воспринимать интенсивность светаIf an alternating current of frequency ω flows along
Соответственно на выходе линейных усилителей 12 будут электрические сигналыAccordingly, the output of the
Переменные составляющие сигналов частоты ω находятся в противофазе, поэтому на выходе сумматора 13 получим такую же постоянную составляющую 2U0, как в рассмотренном случае для постоянного тока (31), а на выходе блока вычитания 14 получим разность сигналов в виде переменной составляющейThe variable components of the frequency signals ω are out of phase, therefore, at the output of the
После детектирования и сглаживания сигнал, характеризующийся зависимостью (39), можно представить зависимостью (32).After detection and smoothing, a signal characterized by dependence (39) can be represented by dependence (32).
Далее вычислитель 15 так же находит отношение Q по формуле (33) и величину протекающего переменного тока по соленоиду 6 согласно формуле (34).Next, the
Предлагаемое устройство обладает рядом преимуществ.The proposed device has several advantages.
Во-первых, установка призмы Волластона в качестве первого поляризатора позволяет получать нормированное отношение сигналов Q, не зависящее от некоторого изменения величины интенсивности излучения I0 источника 1 или величины преобразования света в электрический сигнал U0. Это нормирование сигналов не зависит от рода тока, протекающего по соленоиду 6. Поэтому предлагаемый оптический измеритель тока является универсальным устройством.Firstly, setting the Wollaston prism as the first polarizer allows one to obtain a normalized signal ratio Q, independent of some change in the intensity of radiation I 0 of source 1 or the amount of conversion of light into an electrical signal U 0 . This normalization of the signals does not depend on the type of current flowing through the
Во-вторых, выполнение второго поляризатора 7 в виде кольца, а первого поляризатора в виде призмы Волластона с углом разведения поляризованных пучков света диаметром D на величинуSecondly, the implementation of the
2β≥arctg(2D/L), позволили создать компактную ячейку Фарадея с двукратным прохождением пучков света через стеклянный цилиндр 5.2β≥arctg (2D / L), allowed to create a compact Faraday cell with a double passage of light beams through a
В-третьих, выполнение фрагмента проводника высоковольтной линии из набора соединенных между собой параллельно отдельных проводников позволило максимально приблизить их к цилиндру 6, и создать компактный соленоид 6 с достаточным общим сечением проводников для пропуска переменного или постоянного токов до 600А в варианте оптического измерителя тока в распределительных сетях, 5000А в вариантах оптического измерителя тока в высоковольтных линиях высокого и сверхвысокого классов, а так же одновременно добиться максимальной эффективности использования магнитного поля проводника 6.Thirdly, the execution of a fragment of a conductor of a high-voltage line from a set of separate conductors connected in parallel to each other made it possible to bring them as close to
В-четвертых, подбирая длину цилиндра 5 и количество витков соленоида 6, можно выбирать оптимальный режим работы предлагаемого оптического измерителя переменного или постоянного токов. Например, если соленоид 6 имеет 4 витка и подключен к распределительной сети (Umax=35 кВ и imax=600 А), длина цилиндра 70 мм, то максимально измеренный угол поворота плоскости поляризации ячейки Фарадея ±αmах ≈ 9,8°, что позволяет достигать чувствительности измерения по току ±0,08А. Это является большим достижением для такого класса измерителей тока.Fourth, choosing the length of the
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Лансберг Г.С. Оптика, 4 изд. М.,1957, с 618-620.1. Lansberg G.S. Optics, 4th ed. M., 1957, with 618-620.
2. Зубков В.П., Красина А.Д. Оптико-электронные методы измерения в установках высокого напряжения: (обзор). - М.: Информэнерго. 1975. 156 с. 2. Zubkov V.P., Krasina A.D. Optoelectronic measurement methods in high voltage installations: (review). - M .: Informenergo. 1975.156 s.
3. Патент США №3605013, G01R 15/246.3. US patent No. 3605013,
4. Патент РФ на полезную модель №171401 от 30.11.2016 г. «Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях».4. RF patent for utility model No. 171401 dated November 30, 2016. “Optical meter of alternating current in high-voltage networks”.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130458A RU2663545C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130458A RU2663545C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2663545C1 true RU2663545C1 (en) | 2018-08-07 |
Family
ID=63142674
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017130458A RU2663545C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2663545C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110988435A (en) * | 2019-11-29 | 2020-04-10 | 中国人民解放军92942部队 | Optical path system for improving signal-to-noise ratio of optical fiber current sensor |
RU2762886C1 (en) * | 2020-12-28 | 2021-12-23 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" | Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks |
RU2786621C1 (en) * | 2022-02-10 | 2022-12-22 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" | Optical two-channel current meter for high-voltage networks |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4608535A (en) * | 1981-12-07 | 1986-08-26 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Magnetic field and current measuring device using a Faraday cell with a thin electrically conductive film substantially covering the Faraday cell |
RU109868U1 (en) * | 2011-05-20 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Профессиональная линия" | OPTICAL VOLTAGE MEASUREMENT SYSTEM WITH TEMPORARY DIVISION OF CHANNELS |
RU2437106C2 (en) * | 2009-12-29 | 2011-12-20 | Закрытое акционерное общество "Профотек" | Fibre-optic current sensor |
RU149253U1 (en) * | 2014-06-20 | 2014-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Марс-Энерго" | MAGNETOOPTIC AC MEASURING TRANSMITTER |
RU170319U1 (en) * | 2016-07-28 | 2017-04-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | FIBER-OPTICAL INFORMATION-MEASURING DEVICE OF ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD |
RU2620927C1 (en) * | 2016-02-05 | 2017-05-30 | Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" | Optical ac measuring device |
-
2017
- 2017-08-28 RU RU2017130458A patent/RU2663545C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4608535A (en) * | 1981-12-07 | 1986-08-26 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Magnetic field and current measuring device using a Faraday cell with a thin electrically conductive film substantially covering the Faraday cell |
RU2437106C2 (en) * | 2009-12-29 | 2011-12-20 | Закрытое акционерное общество "Профотек" | Fibre-optic current sensor |
RU109868U1 (en) * | 2011-05-20 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Профессиональная линия" | OPTICAL VOLTAGE MEASUREMENT SYSTEM WITH TEMPORARY DIVISION OF CHANNELS |
RU149253U1 (en) * | 2014-06-20 | 2014-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Марс-Энерго" | MAGNETOOPTIC AC MEASURING TRANSMITTER |
RU2620927C1 (en) * | 2016-02-05 | 2017-05-30 | Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" | Optical ac measuring device |
RU170319U1 (en) * | 2016-07-28 | 2017-04-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | FIBER-OPTICAL INFORMATION-MEASURING DEVICE OF ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110988435A (en) * | 2019-11-29 | 2020-04-10 | 中国人民解放军92942部队 | Optical path system for improving signal-to-noise ratio of optical fiber current sensor |
CN110988435B (en) * | 2019-11-29 | 2023-01-17 | 中国人民解放军92942部队 | Optical System for Improving the Signal-to-Noise Ratio of Optical Fiber Current Sensor |
RU2762886C1 (en) * | 2020-12-28 | 2021-12-23 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" | Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks |
RU2786621C1 (en) * | 2022-02-10 | 2022-12-22 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" | Optical two-channel current meter for high-voltage networks |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rogers | Optical technique for measurement of current at high voltage | |
RU2700288C1 (en) | Universal optical current meter | |
US11402410B2 (en) | Optical Pockels voltage sensor assembly device and methods of use thereof | |
CN108918940A (en) | Full optical-fiber current mutual induction system and method with temperature-compensating | |
RU2086988C1 (en) | Fiber-optic device for measurement of current strength | |
RU2620927C1 (en) | Optical ac measuring device | |
Song et al. | A prototype clamp-on magneto-optical current transducer for power system metering and relaying | |
RU2663545C1 (en) | Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks | |
Li et al. | Research progress of all‐fiber optic current transformers in novel power systems: a review | |
RU171401U1 (en) | OPTICAL AC METER IN HIGH VOLTAGE NETWORKS | |
RU2682133C1 (en) | Optical universal current meter | |
KR100575244B1 (en) | Temperature Compensated Optical Current Transformer Using Fiber Optic Grating | |
Nedoma et al. | Measurement of electric current using optical fibers: A Review | |
CN102565509B (en) | Multi-light-path reflecting optical fiber current sensor | |
RU2720187C1 (en) | Ac and dc optical laboratory meter | |
Yoshino | Invited Paper Optical Fiber Sensors For Electric Industry | |
RU2627987C1 (en) | Optical ac voltage meter in high-voltage networks | |
Ghosh et al. | Development of a fiber-optic current sensor with range-changing facility using shunt configuration | |
CN101907650A (en) | Magneto-optical balanced fiber optic current transformer | |
RU2723238C1 (en) | Faraday cell for current meters in high-voltage networks | |
Li et al. | Anti-crosstalk magnetic field method for straight-light path type optical current transducer based on the background of gas-insulated substation | |
RU2786621C1 (en) | Optical two-channel current meter for high-voltage networks | |
RU2767166C1 (en) | Optical interference current meter | |
RU2762886C1 (en) | Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks | |
RU2819134C1 (en) | Optical multichannel current meter for high-voltage networks |