Оптоэлектронные преобразователи тока

Введение

Развитие оборудования в современной электроэнергетике происходит очень быстро и с каждым годом появляются все новые и новые разработки. Также это и касается и трансформаторов тока. Существует множество модификаций и способов исполнения, но какой из них является лучшим определяет каждый конкретный заказчик.
Целью данной работы является анализ существующих оптоволоконных преобразователей тока. Реализация этой цели предполагает решение следующих задач. Во-первых, следует выяснить принцип работы данных устройств и особенности конструкции. Во-вторых, проанализировать преимущества преобразователей этого типа. Анализ следует выполнить по возможности кратким, по причине того, что формат реферата подразумевает достаточно малый объем.
1. Принцип действия
1.1 Оптическое волокно
Возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения в токопроводе величины постоянного тока очевидным образом вытекает из закона Верде. Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно определить по углу поворота последнего величину напряженности магнитного поля, а по ней и величину самого тока в токопроводе за те или иные фиксированные промежутки времени.
Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле является переменным не только по величине, но и по направлению, изменяясь на противоположное каждый полупериод, т.е. каждые 10 мс для промышленного тока с частотой fт = 50 Гц. Вращение плоскости поляризации света в чувствительном элементе также изменяется на противоположный каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея равен нулю. Следовательно, все измерения угла Фарадея необходимо проводить раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока, синхронизируя с ними начало и конец соответствующих измерений.
Главным чувствительным элементом любого ОТТ или ОПТ, существенно влияющим на его основные технические и метрологические параметры, является оптическое волокно (ОВ) для передачи световой энергии и оптических сигналов. Рассмотрим конструкцию, основные свойства и характеристики ОВ.
ОВ является световодом (волноводом), т.е. передает ЭМВ оптического диапазона с одной, входной его поверхности (торца световода) на его другую, выходную торцевую поверхность. Конструкция ОВ представляет собой цилиндрическое стеклянное волокно в защитной оболочке, световедущая жила которого – сердцевина выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под соответствующими углами, подвергаются полному внутреннему отражению (ПВО). Благодаря этому свойству ОВ обеспечивает возможность передачи световой волны на большое расстояние без промежуточного усиления и с минимальными потерями энергии.
Существуют два основных типа ОВ: многомодовые и одномодовые [1] – рисунок 1. В многомодовом ОВ оптический сигнал представляется множеством мод, каждая из которых имеет свою отдельную линейно-ломаную траекторию, а в одномодовом – одной модой с траекторией вдоль оси волокна (аксиальный луч). По конструкции эти волокна различаются системой диаметров сердцевины и оболочек: для многомодовых волокон D1 = 50–100, D2 = 125–140, D3 = 250 мкм, а для одномодовых D1 = 5–10, D2 = 125, D3 = 250 мкм, т.е. в одномодовом ОВ диаметр сердцевины на порядок меньше и превосходит всего лишь в несколько раз длину волны передаваемого по световоду монохроматического света в его ближней ИК-области с λ = 0,8–1,7 мкм.
В зависимости от изменения показателя преломления сердцевины по координате вдоль диаметра, различают ОВ со ступенчатым и градиентным профилем. В первом случае сердцевина имеет, как для многомодовых, так и для одномодовых ОВ, постоянный показатель преломления n1 вдоль всего диаметра D1 (и длины волокна), который скачкообразно меняется до значения n2 на границе раздела сердцевины и оболочки. Типичные значения n1, n2 = {1,45…1,55}. Во втором случае сердцевина многомодового волокна имеет переменный профиль показателя преломления (например, параболический), в котором n1 плавно и симметрично уменьшается от центра к оболочке до величины n2. В ОТТ/ОПТ применяется исключительно одномодовое ОВ.

Рисунок 1. Распространение световых мод
1.2 Передача светового сигнала
Чтобы световой луч распространялся вдоль световода в режиме ПВО, он должен входить в торец волокна под углом падения φ0 (относительно плоскости торца), не превышающим критический угол ввода φ0к: φ0 φ0к = 900 – φ1к, где φ1к – критический угол падения луча на границе раздела сердцевины и оболочки. Таким образом, входной луч должен попадать в воображаемый конус с удвоенным критическим углом ввода 2φ0к при его вершине (рисунок 2). Угол ввода волокна φ0к называют угловой апертурой, а его синус – числовой апертурой оптоволокна: NA = sin φ0к = (n12 – n22)1/2 [1].
Числовая апертура зависит только от показателей преломления n1, n2 (всегда должно выполняться условие n1 > n2). Апертура характеризует светособирающую способность ОВ: чем она больше, тем с большей площади источника излучения можно собрать волновую энергию, но тем больше и ее рассеяние в волокне. Волокно с меньшей апертурой требует лучше сфокусированного источника оптического излучения (в качестве такового используют лазеры и лазерные светодиоды). Конструкция ОВ влияет на выбор длины волны передаваемого светового сигнала, определяя его затухание и дисперсию. В общем случае затухание – это ослабление светового потока в оптоволокне, приводящее к тому, что амплитуда принятого сигнала на выходе волокна меньше амплитуды переданного сигнала. Природа затухания может быть различной. Коэффициент затухания А для заданной длины волны определяют, как отношение вводимой в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Он измеряется в децибелах [2].

Рисунок 2. Схема ввода светового луча в торец ОВ для реализации процесса ПВО
Коэффициент затухания А нелинейно зависит от параметров ОВ и длины волны света (рисунок 3). Обычное кварцевое ОВ прозрачно в ближней ИК-области оптического излучения с длиной волны до λ 2 мкм (существуют инфракрасные ОВ, сделанные из специальных легированных стекол, которые прозрачны для среднего ИК-излучения с длиной волны λ 2–10 мкм). График имеет несколько участков – окна прозрачности, где затухание минимально: окна 820–880, 1285–1330 и 1525–1575 нм. Из-за большого затухания видимый свет диапазона 0,4–0,7 мкм в передаче светового сигнала по обычному кварцевому ОВ не используется (имеются специальные ОВ для работы и в видимой части спектра). Наиболее эффективна для передачи светового сигнала длина волны из второго и третьего окон прозрачности

. Если введенный в волокно свет линейно поляризован, то в идеальных условиях распространения (однородная структура и круглое сечение волокна по всей его длине, ввод излучения в волокно строго под углом ПВО), он сохраняет свое состояние поляризации по мере распространения в волокне. В реальном же ОВ из-за неидеальности геометрических размеров его сердцевины и различных механических и иных факторов (например, перегибов волокна и его поперечных или продольных напряжений, вибраций, изменения температуры) появляется некоторая асимметрия показателя преломления в ортогональных направлениях вдоль оси волокна. В одномодовом ОВ основная мода линейно поляризованного света передается в виде двух ортогонально ориентированных волновых составляющих (ортогональных мод Ех и Еy), разность скоростей распространения которых, вызванная указанными факторами, приводит к искажению выходного сигнала и к его частичной деполяризации. Это явление называют поляризационно-модовой дисперсией (ПМД). Она носит статистический характер и не превышает, как правило, 0,5 пс/км. ПМД невозможно компенсировать, и ее величина может быть понижена только за счет увеличения качества ОВ.

Рисунок 3. – Зависимость коэффициента затухания от длины волны
Обычное ОВ, применяемое в связи, не позволяет сохранять состояние поляризации. Для этой цели используют специальные, «поляризационные» типы ОВ. Одномодовое ОВ, в котором поляризация основной моды не искажается из-за случайных дефектов и флуктуаций показателя преломления сердцевины, называют ОВ, сохраняющим (не искажающим, поддерживающим) поляризацию [3]. Если сделать разность скоростей ортогональных мод Ех и Еy и соответственно разность их фаз такой, чтобы она превышала возможные фазовые флуктуационные изменения, то распространение света по волокну перестанет зависеть от этих изменений, т.е. его линейная поляризация полностью сохранится. Получить большую разность фаз, достаточную для всей длины волокна, можно в ОВ с эллиптическим сердечником или эллиптически напрягаемой оболочкой. Однако для измерения тока такие ОВ непригодны, так как в этом случае нужны ОВ с циркулярным состоянием поляризации.
Например, один из возможных типов таких ОВ – «крученое» ОВ – получают за счет быстрого вращения кварцевой заготовки в процессе вытяжки волокна и «замораживания» при этом его спиралевидной структуры.
Еще один из путей повышения поляризационной стабильности ОВ – применение микроструктурированного оптического волокна (МОВ) или «дырчатого» ОВ, содержащего вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром 1–2 мкм с n2 = 1, сильно влияющих на оптические и поляризационные свойства волокна [4]. В частности, эти каналы компенсируют (за счет изменения своей формы) температурные и механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала. Различные «крученые» и «дырчатые» ОВ используют в ОТТ и ОПТ для сохранения поляризации светового сигнала в процессе его передачи по волокну.
Кварцевое ОВ как среда передачи светового сигнала обладает низкими потерями энергии (менее 0,2 Дб/км для = 1,55 мкм), широкополосностью (6–10 кГц), малыми габаритами (D < 150–250 мкм), высокой прочностью (волокно выдерживает в силу своей однородности и бездефектности предельное напряжение до 7 кг), малым весом (порядка 30 г/км), гибкостью (Rи 2 мм), невосприимчивостью к электромагнитным помехам (высокой помехозащищенностью), малыми переходными помехами (при плотной укладке волокна в кабели), отсутствием искрения (взрыво- и пожаробезопасностью), полной электробезопасностью, защитой от несанкционированного доступа, стойкостью к коррозии, радиации и высоким температурам [5]. Эти качества ОВ определяют основные преимущества оптических ТТ и ПТ по сравнению с их электромагнитными аналогами.
1.3 Конструкция и характеристики
Типичная схема ОТТ/ОПТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала – токовую головку для ОТТ или измерительную петлю для ОПТ, и электронно-оптический блок (ЭОБ), соединяемый с чувствительным элементом непосредственно (для ОПТ) или через оптический кросс (для ОТТ) (рисунок 4) [6–8].
ЭОБ генерирует с помощью встроенного лазера и модулятора на своем оптическом выходе монохроматический циркулярно поляризованный световой сигнал, направляемый по поддерживающему поляризацию ОВ на вход чувствительного элемента. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала подвергается под воздействием магнитного поля Н1 тока I1 соответствующему повороту на угол Фарадея, и с выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал.
Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода определенной разрядности на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Таким образом, измерительная информация может быть получена на выходе ЭОБ для дальнейшего использования.

Рисунок 4. – Упрощенная структурная схема оптического ТТ или ПТ
В том случае, когда чувствительный элемент по технологическим требованиям, например, на высоковольтных подстанциях, должен быть дистанционно (до 1 км) удален от ЭОБ, для подключения чувствительного элемента дополнительно используется магистральное ОВ, сохраняющее поляризацию, и кроссовый блок (кабельный бокс), подключающий его к ОВ чувствительного элемента.
Состав оборудования и функции, выполняемые ЭОБ, зависят от изготовителя и карты заказа изделия. В частности, ЭОБ, содержащий встроенные часы, микропроцессор и память, способен преобразовывать в реальном времени текущие цифровые коды АЦП в именованные цифровые результаты измерений основной и производных гармоник измеряемого тока, накапливать их в памяти за различные интервалы времени и выдавать результаты измерений через цифровой интерфейс в цифровую вычислительную сеть объекта или субъекта учета. Тем самым ОТТ или ОПТ, в отличие от их электромагнитных аналогов, легко можно включать в те или иные цифровые системы (например, цифровые подстанции в соответствии со стандартом [9]), минуя промежуточное использование измерительных приборов.
Конструкция токовых головок для ОТТ зависит от конструкции высоковольтных шин на объекте учета, с которыми эти головки должны сопрягаться. На рисунке 5 приведены три варианта токовых головок одного из ведущих мировых изготовителей ОТТ/ОПТ (NхtPhase Corporation) для шин различного вида.

Рисунок 5. – Конструкция токовых головок
В ОТТ токовые головки устанавливаются на вершине изоляционных колонн, которые выполняют одновременно функции опоры шины с головкой, защиты ОВ от воздействий внешней среды (ОВ проходит внутри колонны от головки к кроссовому блоку, размещаемому, как правило, в основании колонны) и дополнительной электрической изоляции кроссового блока и персонала, работающего с ОВ у основания колонны