Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

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 PDF

Info

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
Application number
RU2017130458A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Пеньковский
Надежда Степановна Боровкова
Валерий Игоревич Верещагин
Светлана Анатольевна Кириллова
Антон Андреевич Игнатьев
Федор Моисеевич Броун
Артур Альбертович Хакимуллин
Original Assignee
Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" filed Critical Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория"
Priority to RU2017130458A priority Critical patent/RU2663545C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2663545C1 publication Critical patent/RU2663545C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations 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

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to optical instrumentation, or more precisely to optical polarization devices, in which the Faraday effect is used. Invention will be used in the electric power industry, for example in high-voltage networks of various classes, digital substations and other electrical installations. Proposed device comprises a light source, a multimode optical fiber, a Faraday cell, a second multimode fiber, a photodetector, an electronic unit with an indicator of measurement results. For measurement of alternating and direct current, the first polarizer of the Faraday cell is made in the form of a Wollaston prism, the second polarizer is made as a ring from a polaroid film. Outgoing from the Wollaston prism, the rays pass through the inner opening of the second polarizer. Active element of the Faraday cell is made in the form of an optical glass cylinder with polished bases. On one of the bases is a mirror coating. Double-transmitted polarized light beams pass through a second polarizer whose transmission plane is at an angle ±45° with respect to the transmission planes of the first polarizer. After the second polarizer, two light-gathering lenses, two multimode optical fibers, two photodetectors, and also two linear photodetector amplifiers are installed in the two bunches separated by the Wollaston prism. As an embodiment, the high voltage line conductor fragment consists of a set of parallel conductors connected in parallel, made in the form of a solenoid that covers the Faraday cell cylinder and contains n turns where 1≤n≤6.
EFFECT: thanks to the presence of the Wollaston prism, the proposed device is universal, that is, it measures alternating or direct current.
1 cl, 2 dwg

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

Figure 00000001
Figure 00000001

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;

Figure 00000002
- длина пути, пройденного пучком света в активном элементе;
Figure 00000002
- 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

Figure 00000003
Figure 00000003

где N, k, V и

Figure 00000002
- постоянные величины для конкретной конструкции ячейки Фарадея.where N, k, V and
Figure 00000002
- 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

Figure 00000004
Figure 00000004

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

Figure 00000005
Figure 00000005

где

Figure 00000006
- искомый вектор Стокса;Where
Figure 00000006
- the desired Stokes vector;

Figure 00000007
Figure 00000007

- вектор Стокса неполяризованного света интенсивностью IO источника света;is the Stokes vector of unpolarized light with the intensity I O of the light source;

Figure 00000008
Figure 00000008

- 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;

Figure 00000009
Figure 00000009

- 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

Figure 00000010
Figure 00000010

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

Figure 00000011
Figure 00000011

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

Figure 00000012
Figure 00000012

Блок преобразования сигналов вычисляет отношениеThe signal conversion unit calculates the ratio

Figure 00000013
Figure 00000013

а затем искомый ток i во фрагменте проводникаand then the desired current i in the conductor fragment

Figure 00000014
Figure 00000014

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 optical fiber 2, the end of which is the focal plane of the collimating lens 3 installed behind it, the first polarizer 4, the active element of the Faraday cell 5, made of optical glass located in a longitudinal (relative to the direction of light) magnetic field created by a fragment of a conductor with current 6, a second polarizer 7, the transmission plane of which is an angle of ± 45 ° with the transmission plane ervogo polarizer 4, the collecting lens 8, and the second multimode fiber 9, a photodetector 10. The photodetector 10 is connected to an amplifier, which is located in the signal conversion unit 11. Active element 5 Faraday cell is formed as a quadrangular prism 5 TF5 glass having a high Verdet constant. The first base of the prism 5, on which light is incident, is polished and a mirror-like coating in the form of a rectangular strip is applied on its surface in the center. Another base of prism 5 is divided into three equal rectangular zones. On both sides of the central zone there are two polished surfaces with mirror coatings that make up equal angles with the plane of the central zone

Figure 00000015
Figure 00000015

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 quadrangular prism 5.

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 flat bus 6 is located near the wide face of prism 5. Light from a source 1 is transmitted through a multimode optical fiber 2 to the focal plane of a collimating prism 3. A diverging light beam emerging from optical fiber 2 is converted by lens 3 into a collimated beam with a diameter D. Further the light passes through the first polarizer 4 and becomes linearly polarized, the azimuth of light polarization is parallel to one of the side faces of the prism 5, for example, a wide face. The linearly polarized collimated light beam passes through the prism 5 four times, passes the polarizer 7, the transmission plane of which is ± 45 °, and the lens 8 is collected at the end of the optical fiber 9. Next, the light enters the photodetector 10.

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 bus 6 does not pass and the magnetic field around the bus H = 0, then the light intensity I, perceived by the photodetector 10,

Figure 00000016
Figure 00000016

где: I0 - интенсивность света, падающего на поляризатор 4;where: I 0 - the intensity of the light incident on the polarizer 4;

R- Коэффициент отражения света от трех зеркальных поверхностей призмы 5.R- Light reflection coefficient from three mirror surfaces of prism 5.

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 bus 6, then the photodetector 10 picks up light intensity

Figure 00000017
Figure 00000017

и преобразует его в электрический сигналand converts it into an electrical signal

Figure 00000018
Figure 00000018

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 electronic unit 11 is formed in the form of a constant component U = U 0 and a variable component U ~ = U 0 [sin (2α max sinωt)]. In the electronic unit 11, the ratio is calculated

Figure 00000019
Figure 00000019

а затем вычисляется искомый ток i, протекающий по шине 6, согласно формулеand then the desired current i flowing along the bus 6 is calculated according to the formula

Figure 00000020
Figure 00000020

где N=1 - число витков шины 6;where N = 1 is the number of turns of the tire 6;

V - постоянная Верде стекла призмы 5;V is the Verdet constant of the glass prism 5;

Figure 00000021
- длина пути, пройденного света в призме 5;
Figure 00000021
- the length of the path traveled by the light in the prism 5;

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 tire 6.

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 photodetector 10 signal at small angles α is proportional to the desired current value i and does not depend on a change in the value of U O , that is, Q is a normalized value.

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 conductor 6, then using a well-known optical AC meter [4], it is possible to measure current, for example, in the range from 0 to 600 A with an accuracy of ± 0.5 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 photodetector 10 we get a signal that varies according to the law

Figure 00000022
Figure 00000022

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

Figure 00000023
Figure 00000023

Figure 00000024
Figure 00000024

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 photodetector 10 does not completely eliminate the errors of direct current measurement. For example, changes in the magnitude of the signal of the photodetector 10 can occur as a result of severe climatic conditions of use.

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

Figure 00000025
Figure 00000025

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 optical fiber 2, the collimating lens 3, the first polarizer in the form of a Wollaston 4 prism, the active element of the Faraday cell in the form of a glass cylinder 5, installed in the longitudinal magnetic field of a fragment of the conductor 6 with the high-voltage network current, the second polarizer 7, installed sequentially along the rays of light, made in the form of a ring. The polished end face of the optical fiber 2 is mounted at the focus of the collimating lens 3. The dilution angle of the polarized rays of the Wollaston prism 4

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 collimation lens 3;

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 glass cylinder 5 with polished bases. One of the polished bases (the opposite of the one onto which the light is incident) is coated with a mirror. The second polarizer 7 is made of a polaroid film 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 4 pass through the inner hole of the second ring-shaped polarizer 7. After the second polarizer 7 in two separated two beams of light reflected from the mirror surface of the second base of the glass cylinder 5, respectively, are equipped with two identical collecting lenses 8, two identical multimode optical fibers 9 and two and entichnyh photodetector 10.

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 photodetectors 10 and the ends of the optical fibers 2, 9 are mounted in a separate electronic unit 11, where there are two identical linear amplifiers 12 of the signals of the photodetectors 10, signal converters 13, 14, a computer 15 and an indicator of the results of measurements of currents 16.

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 base 17, an insert 18 and a cup 19 with a cover 20. The assembly parts are made of diamagnetic and dielectric material, for example, fiberglass. The base 17 has a flange with which the assembly of the Faraday cage is attached to the upper metal flange 21 of the high-voltage insulator (not shown in Fig. 2)

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 conductor 6 of the high-voltage line is made in the form of a solenoid and covers the Faraday cell in the place where the glass cylinder 5. The solenoid 6 is attached by brackets directly to the upper flange 21 of the insulator, but so that between the inner surface of the solenoid 6 and the glass 19 of the Faraday cup air gap. Such fastening prevents mechanical action on the Faraday cell from the side of the conductor fragment (solenoid) 6 in cases of inrush currents in the high-voltage line or the impact of wind gusts on it.

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 conductor 6 is made in the form of a solenoid, which consists of separate thin conductors, for example, rectangular buses connected in parallel. Thinner conductors allow a smaller bending radius than thick ones. Therefore, a set of individual thin conductors interconnected in parallel allows, without violating GOST for conductors, to produce compact solenoids of small diameters and large cross sections.

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 optical fiber 2 to the focal plane of the collimating lens 3. The diverging light beam emerging from the optical fiber 2 is converted by the lens 3 into a collimated light beam of diameter D. Then the light passes through the first polarizer in the form of a Wollaston 4 prism and is separated, for example, in the drawing plane (Fig. 2) into two linearly polarized beams whose polarization planes are mutually orthogonal. The separation angle of 2β polarized beams by prism 4 satisfies condition (22). Separated linearly polarized light beams pass through the glass cylinder 5, which is located in the center of the solenoid 6, are reflected from the mirror surface of the base of the cylinder 5, pass through the glass cylinder 5 again, and the second ring-shaped polarizer 7 passes from both sides in diameter. After polarizer 7, each of the two light beams lenses 8 are collected at the ends of multimode optical fibers 9 and are fed to the photosensitive layers of the photodetectors 10.

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

Figure 00000026
Figure 00000026

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 optical fiber 2 can be represented by the matrix of an ideal depolarizer by its effect on polarized light

Figure 00000027
Figure 00000027

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 lens 3, which falls on the prism of Wollaston 4, will not be polarized and can be represented by a vector

Figure 00000028
Figure 00000028

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 Wollaston prism 4 is installed so that the polarized light beams are separated by it in the horizontal plane, then the plane of polarization of one of them is horizontal and the other is vertical. In this case, the intensities of light beams after the second polarizer can be found from the equation

Figure 00000029
Figure 00000029

где:

Figure 00000030
- вектор Стокса света, падающего на призму Волластона 4;Where:
Figure 00000030
- Stokes vector of light incident on the prism of Wollaston 4;

Figure 00000031
- матрица преобразования призмы Волластона;
Figure 00000031
- Wollaston prism transformation matrix;

Figure 00000032
- матрица преобразования стеклянного цилиндра 5, на который действует магнитное поле фрагмента проводника 6;
Figure 00000032
- the transformation matrix of the glass cylinder 5, which is affected by the magnetic field of the fragment of the conductor 6;

Figure 00000033
- матрица преобразования поляризатора 7.
Figure 00000033
- polarization conversion matrix 7.

После перемножения матриц преобразований элементов оптики и исходного вектора

Figure 00000034
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
Figure 00000034
we find the first Stokes parameters of light beams characterizing their intensities I 1 , I 2 when a direct current flows through solenoid 6 and a constant magnetic field acts on cylinder 5:

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

Фотоприемники 10 преобразуют пучки света с интенсивностями I1 и I2 в электрические сигналыPhotodetectors 10 convert light beams with intensities I 1 and I 2 into electrical signals

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
Figure 00000038

Линейные усилители 12 усиливают эти сигналы. Сумматор 13 суммирует сигналыLine amplifiers 12 amplify these signals. The adder 13 sums the signals

Figure 00000039
Figure 00000039

а блок 14 вычитает сигналыand block 14 subtracts the signals

Figure 00000040
Figure 00000040

Вычислитель 15 находит отношениеCalculator 15 finds the relation

Figure 00000041
Figure 00000041

величину измеренного постоянного токаvalue of the measured direct current

Figure 00000042
Figure 00000042

где:

Figure 00000043
- 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:
Figure 00000043
- a constant value, depending on the number of turns N of the solenoid 6, on the coefficient of use of the magnetic field k, on the Verdet constant V of the glass of the cylinder 5 and the path length L of the light beam in the cylinder 5.

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 solenoid 6 and the magnetic field inside the solenoid 6 is also variable H = H max Sinωt, then photodetectors 10 will perceive light intensity

Figure 00000044
Figure 00000044

Figure 00000045
Figure 00000045

Соответственно на выходе линейных усилителей 12 будут электрические сигналыAccordingly, the output of the linear amplifiers 12 will be electrical signals

Figure 00000046
Figure 00000046

Figure 00000047
Figure 00000047

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 adder 13 we get the same constant component 2U 0 , as in the considered case for direct current (31), and at the output of the subtraction unit 14 we get the signal difference in the form of a variable component

Figure 00000048
Figure 00000048

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 calculator 15 also finds the ratio Q by the formula (33) and the value of the flowing alternating current through the solenoid 6 according to the formula (34).

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 solenoid 6. Therefore, the proposed optical current meter is a universal device.

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 second polarizer 7 in the form of a ring, and the first polarizer in the form of a Wollaston prism with an angle of dilution of polarized light beams of diameter D by an amount

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 glass cylinder 5.

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 cylinder 6 as possible and create a compact solenoid 6 with a sufficient total cross-section of conductors for passing alternating or direct currents up to 600 A in the variant of an optical current meter networks, 5000A in versions of the optical current meter in high-voltage lines of high and ultra-high classes, as well as at the same time achieve maximum efficiency olzovaniya magnetic field conductor 6.

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 cylinder 5 and the number of turns of the solenoid 6, you can choose the optimal mode of operation of the proposed optical meter of alternating or constant currents. For example, if solenoid 6 has 4 turns and is connected to a distribution network (U max = 35 kV and i max = 600 A), the cylinder length is 70 mm, then the maximum measured angle of rotation of the polarization plane of the Faraday cell ± α max ≈ 9.8 °, which allows to achieve a current measurement sensitivity of ± 0.08A. This is a great achievement for this class of current meters.

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, G01R 15/246.

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)

1. Оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях, содержащий 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, магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея, находящийся в продольном по отношению к направлению распространения света магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током высоковольтной сети, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающая свет линза, второе многомодовое волокно, фотоприемник, электронный блок с преобразователем сигналов, вычислителем и индикатором результатов измерений, отличающийся тем, что для измерения переменного и постоянного тока первый поляризатор выполнен в виде призмы Волластона с углом разведения поляризованных лучей1. An optical meter for alternating and direct current in high-voltage networks, containing 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 magneto-optical active element of the Faraday cage, located in the longitudinal in relation to the direction of light propagation, the magnetic field created by a fragment of a conductor with a high-voltage network current, a second polarizer, a plane the lowering of which is an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer, a light-collecting lens, a second multimode fiber, a photodetector, an electronic unit with a signal converter, a calculator and an indicator of the measurement results, characterized in that for measuring AC and DC current the first polarizer is made in the form Wollaston prisms with the angle of dilution of polarized rays
Figure 00000049
Figure 00000049
где: D - диаметр рабочего пучка света; L - длина пути пучка света, пройденного от призмы Волластона до второго поляризатора, активный элемент выполнен из оптического стекла в виде 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 пучки света проходят через внутреннее отверстие второго поляризатора, после второго поляризатора в двух разделенных призмой Волластона и отраженных от зеркальной поверхности активного элемента пучках света установлены соответственно две собирающие свет линзы, два многомодовых оптических волокна, два фотоприемника и два линейных усилителя сигналов фотоприемников.where: D is the diameter of the working light beam; L is the path length of the light beam passed from the Wollaston prism to the second polarizer, the active element is made of optical glass in the form of a cylinder with polished bases, one of which is coated with a mirror coating, 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 of the light beam and is installed so that the light beams emerging from the first polarizer pass through the internal hole of the second polarizer, after the second polarizer, in two separated by a Wollaston prism and are reflected x two light-collecting lenses, two multimode optical fibers, two photodetectors, and two linear photodetector signal amplifiers, respectively, are installed from the mirrors of the active element to the light beams. 2. Оптический измеритель переменного и постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что фрагмент проводника высоковольтной линии состоит из набора соединенных параллельно отдельных проводников, выполнен в виде соленоида, охватывающего активный элемент ячейки Фарадея, и содержит n витков, где 1≤n≤6.2. The optical meter of alternating and direct current according to claim 1, characterized in that the fragment of the high-voltage line conductor consists of a set of separate conductors connected in parallel, made in the form of a solenoid, covering the active element of the Faraday cage, and contains n turns, where 1≤n≤ 6.
RU2017130458A 2017-08-28 2017-08-28 Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks RU2663545C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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