АП / ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

RU 2321000 C2

МПК

G01R15/24 (2006.01)

Статус: по данным на 27.03.2012 - может прекратить свое действие

Пошлина: учтена за 6 год с 08.09.2010 по 07.09.2011

Заявка: 2005127887/28, 07.09.2005

Дата начала отсчета срока действия патента:

07.09.2005

Дата публикации заявки: 20.03.2007

Список документов, цитированных в отчете о

поиске: DE 19547021, 19.06.1997. SU 1515213 A1, 15.10.1989. RU 2222021 С1, 20.01.2004. RU 2086988 C1, 10.08.1997. CN 1175693, 11.03.1998.

Адрес для переписки:

194356, Санкт-Петербург, ул. Композиторов, 5, кв.616, М.К. Ярмаркину

Автор(ы):

Вицинский Сергей Александрович (RU),

Ловчий Игорь Леонидович (RU),

Мокеев Сергей Федорович (RU),

Соловьев Эдуард Павлович (RU),

Ярмаркин Михаил Кириллович (RU)

Патентообладатель(и):

Вицинский Сергей Александрович (RU),

Ловчий Игорь Леонидович (RU),

Мокеев Сергей Федорович (RU),

Соловьев Эдуард Павлович (RU),

Ярмаркин Михаил Кириллович (RU)

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Реферат:

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматике. Технический результат заключается в повышении надежности и стабильности измерений в условиях длительной эксплуатации при всех видах воздействующего электрического напряжения, воздействующих механических нагрузок и различных воздействиях факторов внешней среды. Волоконно-оптический трансформатор тока включает токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины. При этом элементы волоконно-оптического трансформатора тока размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.

До последнего времени замеры электрических величин в распределительных устройствах промышленных предприятий, включая электрические станции, выполняются с помощью электромагнитных трансформаторов тока, стоимость которых составляет значительную долю стоимости всего распределительного устройства. Назначение трансформаторов тока - преобразование тока в высоковольтной сети в сигнал низкого напряжения с тем, чтобы использовать его для целей измерения, релейной защиты и учета электроэнергии.

Электромагнитные трансформаторы тока представляют собой, как правило, первичный токоведущий контур (первичную обмотку) из одного-двух витков и связанный с ним через магнитопровод вторичный токоведущий контур (вторичную обмотку), состоящий из большого числа витков. Первичная обмотка находится под рабочим напряжением высоковольтной сети, в то время как потенциал вторичной обмотки и проходящего внутри нее магнитопровода незначительно отличается от потенциала земли. Изолирующий промежуток между первичной и вторичной обмотками обеспечивает отсутствие электрического пробоя при всех видах эксплуатационных воздействий. При этом с ростом класса напряжения не пропорционально увеличиваются затраты на изоляцию.

Известны конструкции трансформаторов тока, в которых применяются бумажно-масляная, литая из эпоксидного компаунда и элегазовая изоляции (см. [1]). Недостатком этих конструкций является высокая вероятность электрического пробоя изоляционных промежутков в процессе эксплуатации, что подтверждается многолетним опытом использования таких трансформаторов тока в различных электроэнергетических устройствах.

Из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода такие трансформаторы тока принципиально не могут обеспечить удовлетворительные метрологические характеристики в переходных режимах, а также после протекания токов короткого замыкания, когда происходит глубокое насыщение магнитопровода трансформатора тока апериодической составляющей тока короткого замыкания (остаточная насыщенность после протекания токов короткого замыкания может сохраняться несколько месяцев). Кроме того, при импульсных процессах возникает разность потенциалов между точками заземления контура высокого напряжения и измерительной цепи, которая влияет на измеряемый сигнал.

Таким образом, возможности традиционных методов измерения с использованием электромагнитных трансформаторов тока уже практически полностью исчерпаны. Принципиально другой перспективный подход, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, реализуется в оптико-электронных трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство (см. [2]), включающее первичный токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки, изготовленной из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины.

Существенным недостатком данного устройства является его невысокая надежность и стабильность в реальных условиях эксплуатации, в частности при всех видах воздействующего напряжения, воздействующих механических нагрузок, при загрязнении и увлажнении. В существующей конструкции отсутствует опорно-изоляционная конструкция, позволяющая описанному устройству функционировать в качестве самостоятельного аппарата при воздействии высокого напряжения в условиях загрязнения и увлажнения. Отсутствие трекингостойкой оболочки создает возможность протекания тока утечки по поверхности устройства. Использованные способы формирования измерительного сигнала (см., например, [3]), средства ввода в магнитооптический чувствительный элемент поляризованного светового сигнала и деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала (см., например, [4]) не обеспечивают необходимой точности и стабильности измерений в реальных условиях эксплуатации.

Техническая задача предлагаемого изобретения "Волоконно-оптический трансформатор тока" заключается в повышении его надежности и стабильности измерений в условиях длительной эксплуатации при всех видах воздействующего электрического напряжения, воздействующих механических нагрузок и различных воздействиях факторов внешней среды.

Для решения поставленной задачи предложено следующее.

Волоконно-оптический трансформатор тока, включающий токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины, отличающийся тем, что элементы волоконно-оптического трансформатора тока размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что средство деления выполняет функцию деления светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, различающиеся угловой ориентацией, узел преобразования выполняет функцию преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы, а блок формирования выполняет функцию формирования из полученных сигналов измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур состоит из двух и более витков.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур включает в себя элементы высоковольтной арматуры, снабженной контактными площадками для присоединения подводящих проводов, а катушка из оптического волокна размещена непосредственно на высоковольтной арматуре.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур выполнен разъемным.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур выполнен неразъемным.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что он снабжен защитной оболочкой из кремнийорганической резины или другого диэлектрика.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что защитной оболочке придана ребристая форма.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что он снабжен несколькими катушками из оптического волокна с различными параметрами, например числом витков или чувствительностью магнитооптического материала, причем часть катушек предназначена для измерения тока, а другая часть - для работы релейной защиты или для выполнения других функций.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что катушка из оптического волокна и оптически связанные с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на высоковольтной арматуре.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что концы магнитооптического чувствительного элемента проведены через внутреннюю полость опорного изолятора, а оптически связанные с ним средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на фланце нулевого потенциала.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что для присоединения к внешней измерительной цепи использованы соединители оптического волокна.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что для присоединения к внешней измерительной цепи и герметизации внутренней полости опорного изолятора использованы оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы).

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна с малым внутренним линейным двойным лучепреломлением.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором на конце магнитооптического чувствительного элемента установлен отражатель.

Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором форма катушки из оптического волокна выбрана из условия компенсации линейных двойных лучепреломлений, вызванных изгибом волокна при намотке.

Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что информация об измеряемом токе преобразуется и передается в форме цифрового сигнала посредством блока формирования измерительного сигнала.

Для достижения поставленной технической задачи:

- в волоконно-оптическом трансформаторе тока, включающем токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины, новым является то, что его элементы размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала.

Обеспечив в предложенном устройстве выполнение средством деления функции деления на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, выполнение узлом преобразования функции преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы, а блоком формирования выполнение функции формирования из полученных сигналов измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины, мы реализуем большую точность и стабильность измерения в условиях реальной эксплуатации, в частности при воздействии температуры и вибраций.

Используя в предложенном устройстве токоведущий контур из двух и более витков, мы повысим точность измерения в диапазоне малых токов.

Используя в предложенном устройстве токоведущий контур в качестве элемента высоковольтной арматуры опорного изолятора, снабженной контактными площадками для присоединения подводящих проводов, и разместив катушку из оптического волокна непосредственно на высоковольтной арматуре, мы упростим устройство, обеспечив возможность создания трансформаторов тока на все классы напряжения.

Выполнив в предложенном устройстве токоведущий контур разъемным, мы обеспечим возможность оперативного измерения тока.

Выполнив в предложенном устройстве токоведущий контур неразъемным, мы повысим надежность трансформатора, исключив из токовой цепи дополнительные контактные соединения.

Снабдив предложенное устройство защитной оболочкой из кремнийорганической резины или другого диэлектрика, мы обеспечим его надежную защиту от внешних воздействий.

Придав защитной оболочке ребристую форму, мы снизим до необходимого уровня ток утечки по поверхности оболочки при ее загрязнении и увлажнении.

Снабдив предложенное устройство несколькими катушками из оптического волокна с различными параметрами, например числом витков или чувствительностью магнитооптического материала, часть которых предназначена для измерения тока, а другая часть - для работы релейной защиты, или для выполнения других функций, мы повысим точность измерения, увеличив диапазон измеряемого тока, и расширим функциональные возможности трансформатора.

Расположив на высоковольтной арматуре не только катушку из оптического волокна и оптически связанное с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, но также и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие, мы ликвидируем дополнительную погрешность измерения угла поляризации, связанную с двойным лучепреломлением светового луча при изгибе оптического волокна на участке между чувствительным элементом и фланцем нулевого потенциала.

Если мы концы катушки из оптического волокна проведем через внутреннюю полость опорного изолятора, а оптически связанные с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположим на фланце нулевого потенциала, то обеспечим защиту элементов трансформатора тока от внешних метеорологических воздействий, в том числе от увлажнения и загрязнения.

Используя для присоединения к внешней измерительной цепи соединители оптического волокна, мы обеспечим удобство эксплуатации и ремонта трансформатора тока.

Используя для присоединения к внешней измерительной цепи и герметизации внутренней полости опорного изолятора оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы), мы обеспечим дополнительную защиту элементов трансформатора тока от внешних метеорологических воздействий.

Выбрав в устройстве в качестве чувствительного элемента одномодовое оптическое волокно, мы обеспечим простоту исполнения трансформатора.

Если в устройстве в качестве чувствительного элемента мы выберем одномодовое оптическое волокно с малым внутренним двойным лучепреломлением, то повысим точность измерения.

При выборе в устройстве в качестве чувствительного элемента одномодового оптического волокна с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным, мы уменьшим влияние внутреннего и наведенного линейных двойных лучепреломлений и реализуем большую чувствительность и стабильность измерений, повысив устойчивость трансформатора к вибрациям и термическим напряжениям.

Установив на конце оптического волокна отражательный элемент, мы исключим зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от формы (геометрии) катушки из оптического волокна оптического волокна. В качестве отражательного элемента может быть использовано зеркальное покрытие торца оптического волокна, нанесенное гальваническим способом, напылением в вакууме или каким-либо другим методом.

Выбрав форму катушки из оптического волокна из условия компенсации линейных двойных лучепреломлений, вызванных изгибом волокна при намотке, мы повысим точность измерений, исключив влияние двулучепреломления в волокне на состояние поляризации светового сигнала. Для этого, например, каждому участку оптического волокна, изогнутому по дуге окружности в какой-либо плоскости, должен быть сопоставлен такой же участок в перпендикулярной плоскости.

Преобразуя и передавая информацию об измеряемом токе в форме цифрового сигнала, мы повысим надежность передачи сигнала от трансформатора тока до контрольно-измерительной аппаратуры.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического трансформатора тока. На фиг.2 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с разъемным первичным токоведущим контуром. На фиг.3 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с неразъемным первичным токоведущим контуром. На фиг.4 показана схема построения волоконно-оптического трансформатора тока с многовитковым токоведущим контуром.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического трансформатора тока, включающего токоведущий контур 1, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом 2 в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, различающиеся угловой ориентацией, а также узел 5 преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок 6 формирования измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.

Средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, например, включает в себя источник линейно поляризованного излучения (полупроводниковый лазер), при необходимости дополнительные поляризатор, сохраняющее поляризацию оптическое волокно, фазовую пластину и соединитель оптического волокна (на фиг.1 не указаны). В состав средства 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, например, входят соединитель оптического волокна (на фиг.1 не указан), коллимирующая линза 7 и поляризационные делители 8, 9. Преобразование составляющих светового сигнала в нормированные по интенсивности электрические сигналы осуществляется в соответствующих фотоэлектрических преобразователях 10-13 узла 5, предпочтительно состоящих из фотодиода и усилителя (на фиг.1 не обозначены). Блок 6 формирования включает в себя узел 14 фильтров нижних частот для выделения постоянных и переменных составляющих сигналов и узел 15 обработки, формирующий из полученных сигналов и их постоянных и переменных составляющих измерительный сигнал, по которому легко определяется измеряемая величина - переменный электрический ток. На фиг.1 обозначены:

i - переменный электрический ток;

I1 , I2, I3, l 4 - нормированные по интенсивности электрические сигналы;

- направления передачи светового и электрического сигналов;

М - измеряемый сигнал.

Для определения величины измеряемого сигнала М целесообразно использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в сочетании с электронной вычислительной машиной, например, на базе персонального компьютера PC IBM.

На фиг.2 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с разъемным токоведущим контуром на опорном изоляторе, а на фиг.3 - вариант с неразъемным первичным токоведущим контуром (на примере конкретного исполнения). Токоведущий контур 1 волоконно-оптического трансформатора тока включает контактные площадки 16 для присоединения подводящих проводов. Токоведущий контур 1 волоконно-оптического трансформатора тока является элементом высоковольтной арматуры опорного изолятора 17, снабженного защитным покрытием 18 и фланцем 19 нулевого потенциала. Волоконно-оптический трансформатор тока включает магнитооптический чувствительный элемент в виде размещенной непосредственно на высоковольтной арматуре катушки 20 из оптического волокна с защитной оболочкой 21. Концы 22 катушки 20 проведены через внутреннюю полость опорного изолятора 17. Оптически связанные с катушкой 20 средства 23 ввода в волокно поляризованного светового сигнала и деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на фланце 19 нулевого потенциала, а для присоединения к внешней измерительной цепи использованы соединители 24 оптического волокна.

На фиг.4 показана схема построения волоконно-оптического трансформатора тока с многовитковым токоведущим контуром, состоящим из П-образных отрезков токоведущей шины 25 и перемычек 26. На фиг.4 показан токоведущий контур, состоящий из четырех витков. Сходным образом может быть сформирован токоведущий контур, состоящий из произвольного числа витков.

Рассмотрим по схеме на фиг.1 принцип работы устройства по п.п.1 и 2 формулы. Измеряемый электрический ток i создает вокруг проводника 1 магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света от источника излучения средства 3 через находящийся в этом поле магнитооптический материал длиной l (чувствительный элемент 2) происходит вращение его плоскости поляризации на угол

где V - константа Верде материала;

Н l - составляющая магнитного поля вдоль направления распространения света.

При выборе в качестве чувствительного элемента 2 оптического волокна, образующего n витков вокруг проводника 1 с измеряемым электрическим током i, угол α поворота плоскости поляризации света на выходе волокна составит α =Vni.

Световой сигнал, прошедший коллимирующую линзу 7, далее подается на поляризационные делители 8 и 9 средства деления 4.

При использовании одного поляризационного делителя, как правило, установленного под углом 45° к направлению поляризации падающего света, световой сигнал делится на пару взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих. В идеальном случае (при отсутствии двойных лучепреломлений, вызванных, например, термическими и механическими напряжениями) эти составляющие преобразуются в узле 5 в нормированные по интенсивности электрические сигналы Il=I0cos 2(α +45°) и I2=I 0sin2(α +45°). Здесь величина Io соответствует интенсивности света на входе поляризационного делителя 8, 9. Производя в блоке формирования 6 операции деления разности интенсивностей на их сумму, можно сформировать измерительный сигнал, зависящий только от угла поворота плоскости поляризации, а значит, и от величины измеряемого тока

М=(I1-I 2)/(I1+I2)=sin(2 α )=sin(2Vni),

где М - величина измерительного сигнала,

и по нему найти измеряемую величину i=arcsin(M/2Vn).

В реальной оптической системе под воздействием внутренних и внешних факторов (линейное двойное лучепреломление в чувствительном элементе, изгибы волокна - так называемый геометрический эффект, вибрации, термические напряжения и пр.) изначально линейное состояние поляризации светового сигнала преобразуется в эллиптическое, азимутальный угол которого относительно направлений поляризационного делителя может отличаться от 45°. В итоге это ведет к смещениям "рабочей точки", и чувствительность трансформатора становится нестабильной, сильно зависящей от условий измерения.

Использование двух поляризационных делителей 8 и 9, осуществляющих деление светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, позволяет получить информацию о состоянии поляризации светового сигнала в волокне, то есть о величине смещения "рабочей точки". Например, для частного случая, когда угол эллиптичности € =0 и уход "рабочей точки" связан с изменениями азимутального угла вектора поляризации, алгоритм формирования измерительного сигнал М при установке поляризационных делителей с углом между направлениями поляризации пар пучков, равным ± π /4±k π /2 (k - целое число) соответствует относительно простому выражению