Ячейка фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях

Изобретение относится к оптическим приборам, в которых используется магнитооптический эффект Фарадея для измерения электрического тока. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Заявленное устройство содержит первый волоконный световод, коллиматор, поляризатор, магниточувствительный элемент в виде прямоугольного параллелепипеда, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фокусирующую линзу и второй волоконный световод. Первый поляризатор приклеен между первым основанием параллелепипеда и плоскопараллельной стеклянной пластинкой. Второй линейный поляризатор приклеен между вторым основанием параллелепипеда и дополнительной призмой типа БР-180° или БкР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением дополнительной призмы и параллельна большему ребру основания. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим измерителям тока, в которых используется эффект Фарадея.

Целью изобретения является создание оптического датчика (ячейки Фарадея) для использования в качестве измерителя переменного тока в высоковольтных сетях различного класса.

Существующие традиционные электромагнитные высоковольтные трансформаторы тока имеют ряд недостатков. Основной недостаток - наличие трансформаторного масла или газа в качестве диэлектриков между обмотками, находящимися под высоким напряжением сети и соединенными с нулевым потенциалом земли.

Оптические измерители тока цифровые имеют ряд существенных преимуществ [1], например:

- полная гальваническая развязка от напряжения сети;

- отсутствие пожаро-взрывоопасных веществ (масла, газа);

- малые габариты, вес;

- результаты измерений получаются в цифровой форме.

Основным узлом оптических измерителей тока является ячейка Фарадея, содержащая два поляризатора, между которыми установлен магниточувствительный элемент из диэлектрического материала прозрачного для света с длиной волны λ, который находится в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии.

Принцип работы ячейки Фарадея основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, открытом М. Фарадеем в 1846 году.

Суть явления состоит в следующем.

Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент. Под действием продольного магнитного поля в таких веществах, как, например, стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции. Между этими компонентами возникает разность фаз

где n_л и n_п - разность показателей преломления компонент левой и правой циркуляции поляризованного света;

L - путь, пройденный пучком света в веществе (стекле).

- волновое число для длины волны света λ.

В результате запаздывания по фазе одной компоненты по отношению к другой на выходе стекла происходит их суммирование и эффект поворота (преобразования) линейно поляризованного света на угол

где - величина напряженности продольного магнитного поля, действующего на магниточувствительный элемент (стекло);

V - постоянная Верде магниточувствительного элемента (стекла);

L - путь, пройденный поляризованным светом в стекле;

β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля;

N - число витков фрагмента проводника с током;

i - ток, протекаемый по фрагменту проводника;

k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние от стекла до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла, а также переход к характеристике напряженности магнитного поля через ампер-витки.

Из формул (1, 2) видно, что для измерения тока i, протекаемого по проводнику высоковольтной линии, можно использовать два способа.

Чаще всего используют способ, при котором на магниточувствительный элемент (стекло), находящийся в продольном магнитном поле, направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют изменение азимута угла поворота плоскости поляризации а, которое пропорционально напряженности магнитного поля и, следовательно, измеренному току i [2, 3].

Реже используют способ измерения разности фаз δ между компонентами циркулярно поляризованного света (1), когда на магниточувствительный элемент в виде spun-волокна, направляют циркулярно поляризованный свет [4, 5].

Первый способ простой и надежный. Известна конструкция простейшей ячейки Фарадея [6], которая содержит установленные последовательно источник коллимированного света, линейный поляризатор, стеклянный стержень с полированными торцами, второй линейный поляризатор. Пусть плоскость пропускания второго поляризатора составляет с плоскостью пропускания первого поляризатора угол ±45°. Стеклянный стержень помещен в центре соленоида, по которому проходит измеряемый переменный ток частоты сети ω=50 Гц

По воздействию на линейно поляризованный свет стеклянный стержень можно представить матрицей ротатора [7]:

где α_max - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света, в соответствии с формулой (2).

Интенсивность света I на выходе ячейки Фарадея можно найти из уравнения

- табличные матрицы для идеальных линейных поляризаторов [7] с плоскостями пропускания, соответственно 0° и 45°.

После перемножения матриц преобразования (5) находим первый параметр вектора Стокса, характеризующий интенсивность света I, прошедшего через ячейку Фарадея,

Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей света I несет в себе информацию о угле поворота α и о величине тока i, а именно:

Однако простейшие ячейки Фарадея в высоковольтных сетях не применяются из-за сложности подачи света стеклянному стержню, находящемуся под высоким напряжением. Заманчиво в качестве магниточувствительного элемента ячейки Фарадея использовать волоконные световоды. Известны устройства, в которых волоконные световоды наматывают в виде катушек и надевают на фрагменты проводников с током высоковольтной линии так, что витки волоконных световодов совпадают с направлением силовых линий магнитного поля фрагмента проводника [8].

Главным недостатком подобных устройств является существенная деполяризация линейно поляризованного света в волоконных световодах. Известно, что принцип работы любого волоконного световода основан на явлении полного внутреннего отражения света, при котором неизбежно возникает разность фаз δ между взаимоортогональными компонентами поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависят от ориентации плоскости поляризации падающего света относительно плоскости границы раздела сердцевины волокна и его оболочки, а так же от угла преломления при каждом акте внутреннего отражения внутри волоконного световода. Кроме того, при изгибах световодов в них неизбежно появляются механические нагрузки, которые приводят к появлению двойного лучепреломления и к дополнительной разности фаз. Следовательно, волоконные световоды являются анизотропными. Любой волоконный световод можно представить в виде набора фазовых пластинок с различными направлениями главных осей, преобразующих линейно поляризованный свет в эллиптический.

В процессе распространения линейно поляризованного света в волоконном световоде происходит хаотическое преобразование состояния поляризации света и на выходе волоконного световода вместо линейно поляризованного света получаем частично поляризованный свет (если световод одномодовый и небольшой длины) или полностью не поляризованный свет (если световод многомодовый).

Следовательно, магниточувствительный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде одномодового волоконного световода, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразования

где p=1-Δp - степень поляризации света;

α - угол поворота плоскости поляризации света под воздействием магнитного поля.

Если матрицу (9) подставить в уравнение (5), то после перемножений матриц найдем интенсивность света, выходящего из волоконного световода после второго поляризатора

В этом случае величину измеряемого тока i можно представить выражением

Из уравнения (11) видно, что с уменьшением степени поляризации p уменьшается амплитуда оптического сигнала, несущего информацию о эффекте Фарадея (о угле поворота α) и, соответственно, вносится ошибка в результаты измерения тока.

Для устранения этого существенного недостатка в работах [4, 5] предложено в качестве магниточувствительного элемента ячейки Фарадея использовать spun-волокно и вместо линейно поляризованного света в spun-волокно подавать циркулярно поляризованный свет.

Spun-волокно принципиально отличается от остальных тем, что его получают вращением заготовки в процессе вытяжки. В результате это волокно приобретает спиральную структуру и его следует рассматривать как набор фазовых пластинок, главные оси которых вращаются при перемещении в направлении распространения света, то есть происходит вращение квазиглавных направлений оптической анизотропии, при котором интегральный закон Вертгейма не имеет места.

В этом случае при распространении по spun-волокну линейно поляризованного света происходит его полная деполяризация, а если вместо линейно поляризованного света направить циркулярно поляризованный свет, то степень поляризации его частично сохраняется [4]. Степень сохранения циркулярной поляризации зависит от шага спиральной структуры L_s spun-волокна и длины биений встроенного двойного лучепреломления L_B, то есть от параметра

В такой известной ячейке используется способ измерения разности фаз (1) между компонентами с правой и левой циркуляцией поляризованного света. Практическая реализация этого способа [4] не простая как в вопросах изготовления spun-волокна, так и создания инфракрасного интерферометра, работающего на длине волны λ=1550 нм со специальным ультразвуковым модулятором двойного лучепреломления. Изделие сложное и дорогое.

Известен магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока [2], ячейка Фарадея которого содержит первый подающий квазимонохроматический свет волоконный световод 1 (фиг. 1), формирователь параллельного пучка света диаметром D в виде коллимирующей линзы 2 и установленные в пучке света последовательно по ходу лучей первый поляризатор 3, магниточувствительный элемент в виде четырех стеклянных призм типа БР-180° 4, склеенных последовательно так, что они охватывают по кругу проводник с током 5. На выходе четвертой призмы 4 приклеен второй поляризатор 6, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3. Далее установлена фокусирующая свет линза 7, в фокусе которой находится торец второго волоконного световода 8, подающего свет на фотоприемное устройство (на фиг. 1 не показано).

Известное устройство работает следующим образом.

Свет от источника с помощью первого многомодового волоконного световода 1 передается в фокальную плоскость коллиматора 2. Далее после коллиматора свет проходит первый линейный поляризатор 3, становится линейно поляризованным, последовательно проходит все четыре призмы 4, второй линейный поляризатор 6, собирающую свет линзу 7 и попадает на торец второго волоконного световода 8.

Если по фрагменту проводника с током 5 проходит переменный ток, то вокруг проводника 5 создается переменное магнитное поле, магнитные силовые линии которого в виде концентрических колец пронизывают призмы 4, по которым проходит линейно поляризованный свет по прямой, параллельной осевым линиям каждой призмы 4. Продольная составляющая этих силовых линий, совпадающая с направлением распространения света в каждой из четырех призм 4 создает эффект поворота плоскости поляризации на угол

где α_max=H_maxVLcosβ;

H_max - максимальная амплитуда напряженности магнитного поля вокруг проводника;

V - постоянная Верде стекла призм 4;

L - длина пути поляризованного света, пройденного вдоль магнитных силовых линий;

β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля.

Благодаря тому, что главное сечение последующей призмы БР-180° находится под углом 90° к главному сечению предыдущей призмы, то разность фаз δ между компонентами поляризованного света, возникающая при полном внутреннем отражении в предыдущей призме, компенсируется в последующей призме (если все призмы 4 выполнены из одной марки стекла). Поэтому в отличие от волоконных световодов в процессе прохождения поляризованного света по всем четырем призмам 4 эффекта деполяризации света не происходит.

Однако, эта известное устройство [2] имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, в данной ячейке Фарадея не эффективно используется магнитное поле, возникающее вокруг проводника 5. Так, в каждой из четырех призм 4 свет распространяется по прямой, составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии магнитного поля вокруг проводника имеет форму колец. Причем напряженность магнитного поля у поверхности проводника 5 наибольшая, а с увеличением радиуса r кольца убывает по закону

Поэтому в зоне центральной части каждой призмы напряженность поля Η наибольшая, а у концов призм существенно меньше. К тому же у концов призм на участках перехода от одной призмы к другой свет распространяется перпендикулярно плоскости колец магнитных силовых линий и не вносит никакого вклада в эффект Фарадея.

Во-вторых, если требуется достичь высокой точности измерений переменного тока, то данное устройство не имеет перспектив существенного увеличения пути L поляризованного света в призмах и увеличения числа витков проводника с током.

Известна более совершенная ячейка Фарадея, которая используется в известном оптическом измерителе переменного тока [3], которая является прототипом заявляемому устройству.

Эта известная ячейка Фарадея содержит первый подающий квазимонохроматический свет с длиной волны λ волоконный световод 1 (фиг. 2), формирователь параллельного пучка света диаметром D в виде линзы 2 и установленные в пучке света последовательно по ходу лучей первый линейный поляризатор 3, магниточувствительный элемент 4, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током 5 и выполненный из оптического стекла с показателем преломления n_λ в виде четырехугольной призмы 4 высотой h, второй линейный поляризатор 6, фокусирующая свет линза 7 и второй волоконный световод 8. Торец световода 8 находится в фокусе линзы 7. Плоскость пропускания первого поляризатора 3 параллельна большой грани призмы 4. Плоскость пропускания второго поляризатора 6 составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3.

Первое основание призмы 4 полировано и на нем частично нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полоски. Другое основание призмы 4 содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями, которые наклонены относительно первого основания под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и в центре основания образуют между собой ребро.

Известное устройство [3] работает следующим образом.

Вышедший из первого волоконного световода 1 (фиг. 2) расходящийся пучок квазимонохроматического света попадает на линзу коллиматора 2. Торец волновода 1 находится в фокусе линзы 2, поэтому после линзы 2 формируется параллельный пучок света, который проходит первый поляризатор 3 и становится линейно поляризованным, плоскость поляризации которого параллельна большой грани призмы 4. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную призму 4 и под углом γ падает на первую зеркальную поверхность второго основания, отражается от нее, второй раз проходит призму 4, под углом 2γ падает на зеркальную поверхность полоски первого основания, отражается от нее, третий раз проходит призму 4 и под углом γ падает на вторую зеркальную поверхность второго основания, после отражения от нее проходит призму 4 в четвертый раз, проходит второй поляризатор 6.

Поскольку в данном примере плоскость поляризации света, падающего на границу стекло-зеркальное покрытие, совпадает с плоскостью падения света, то для модулей комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света можно записать а азимут преимущественной поляризации после отражения

Если ток i по фрагменту проводника 5 не проходит, магнитное поле отсутствует, а на призму 4 не действуют механические или термические нагрузки, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея

где I₀- интенсивность света, падающего на первый поляризатор 3;

- коэффициент отражения света для параллельной составляющей. Если по фрагменту проводника 5 протекает переменный ток i=i_maxsinωt, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея изменяется по закону

где Δα - дополнительное изменение азимута линейной поляризации света, вызванное эффектом отражения от зеркальных поверхностей призмы в зависимости от усредненной величины угла поворота α, вызванного эффектом Фарадея в процессе каждого прохождения света внутри призмы 4.

Амплитуду переменного тока можно найти по формулам (7), (8), то есть:

Из формулы (18) видно, что дополнительный угол Δα влияет на точность измерения тока i.

Так, например, расчеты [9] показывают что при алюминиевом зеркальном покрытии на стекле ТФ5 относительный показатель преломления отражающей поверхности является комплексной величиной

Следовательно, при угле падения γ=2,8° на зеркальные поверхности призмы 4 и при четырех проходах света в одной плоскости, когда средняя величина эффекта Фарадея дает угол i_max≤12°, азимут линейной поляризации дополнительно изменяется на величину

Эта дополнительная погрешность существенно влияет на результат измерения тока. Например, при номинальном токе i_max=1200 А дополнительная погрешность за счет влияния Δα составит ±0,2%, что согласно ГОСТ 7746-2015 равно основной погрешности (требуется класс точности 0,2S).

Предлагается новая ячейка Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях, содержащая первый волоконный световод, формирователь коллимированного пучка света диаметром D, первый линейный поляризатор, магниточувствительный элемент, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети, выполненный в виде стеклянной четырехугольной призмы, второй линейный поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фокусирующая свет линза и второй волоконный световод, подающий свет на фотоприемное устройство. Магниточувствительный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с полированными основаниями. Первый линейный поляризатор приклеен между первым основанием параллелепипеда и покровной плоскопараллельной стеклянной пластинкой так, что его плоскость пропускания составляет углы ±45° с ребрами основания параллелепипеда, а второй линейный поляризатор приклеен между вторым основанием параллелепипеда и дополнительной стеклянной призмой с двумя отражениями типа БР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением дополнительной призмы, параллельна большему ребру второго основания, равным по длине α≤2(D+2мм) и, следовательно, составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора.

С целью упрощения юстировки и ее сохранения при механических воздействиях на конструкцию ячейки Фарадея дополнительная призма выполнена с крышей и одним отражением типа БкР-180°.

С целью увеличения пути L света в параллелепипеде и повышения точности измерения тока предлагается вариант исполнения ячейки Фарадея, у которой ребра основания параллелепипеда равны между собой, имеют длину 2(D+2мм), а перед первым поляризатором на покровной плоскопараллельной пластинке наклеена вторая дополнительная призма типа БР-180°. Ширина этой призмы D+2мм и приклеена она так, что ее главное сечение составляет 45° с ребрами первого основания и, следовательно, совпадает с плоскостью пропускания первого поляризатора.

На фиг. 1 показана структурная схема ячейки Фарадея известного магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока по патенту [2] фирмы ООО «НПП Марс-Энерго».

На фиг. 2 показана структурная схема ячейки Фарадея известного измерителя тока по патенту [3] АО «Швабе - Технологическая лаборатория».

На фиг. 3 показана структурная схема предлагаемой ячейки Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях.

На фиг. 4 показана конструкция магниточувствительного элемента в виде параллелепипеда с дополнительной призмой типа БкР-180°.

На фиг. 5 показана конструкция магниточувствительного элемента с двумя дополнительными призмами типа БР-180°.

Предлагаемая ячейка Фарадея для измерения тока в высоковольтных сетях содержит первый обычный многомодовый волоконный световод 1 (фиг. 3), формирователь коллимированного пучка света диаметром D в виде линзы 2, первый линейный поляризатор 3, например, в виде йодно-винилового поляроида, магниточувствительный элемент, выполненный в виде стеклянной четырехугольной призмы, а точнее в виде прямоугольного параллелепипеда 4, который находится в продольном магнитном поле фрагмента проводника 5 с током высоковольтной сети, второй линейный поляризатор 6, в виде йодно-винилового поляроида, фокусирующую свет линзу 7 и второй обычный многомодовый волоконный световод 8. Ребра оснований параллелепипеда 4 имеют длины α=D+2мм и b=2(D+2мм). Первый линейный поляризатор 3 приклеен между первым полированным основанием стеклянного параллелепипеда 4 и покровной плоскопараллельной стеклянной пластинкой 9 так, что плоскость пропускания поляризатора 3 составляет углы 45° с ребрами основания параллелепипеда 4. Второй линейный поляризатор 6 приклеен между вторым полированным основанием параллелепипеда 4 и дополнительной стеклянной призмой 10 с двумя отражениями типа БР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением дополнительной призмы 10, параллельна большему ребру второго основания и, следовательно, составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3.

Фрагмент проводника высоковольтной линии 5 выполнен из эмалированных медных обмоточных проводников в виде набора отдельных полных витков (на фиг. 3 показан набор из двух витков) составляющих плоские витки, концы которых сварены в единый виток.

Количество плоских витков зависит от высоты магниточувствительного элемента 4, а число отдельных витков в наборе зависит от требуемого диапазона измерения тока, то есть от требуемого сечения фрагмента проводника 5. Все плоские витки соединены параллельно, образуя полный виток, и подключены в разрыв высоковольтной линии электропередач.

В качестве одного из вариантов исполнения конструкции предлагаемой ячейки Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях на фиг. 4 показан магниточувствительный элемент 4 с наклеенными поляризаторами 3 и 6, у которого вместо дополнительной призмы 10 типа БР-180° приклеена призма 11 с крышей и одним отражением типа БкР-180°.

С целью удвоения пути, пройденного светом в магниточувствительном элементе 4 на фиг. 5 показан вариант исполнения конструкции магниточувствительного элемента 4 в виде параллелепипеда с одинаковыми ребрами оснований и равными по длине b=2(D=2мм), а перед первым поляризатором 3 на плоскопараллельной стеклянной пластинке 9 наклеена вторая дополнительная призма 12 с двумя отражениями типа БР-180°. Ширина второй дополнительной призмы 12 c=D+1мм.

Главное сечение призмы 12 составляет угол 45° с ребрами первого основания параллелепипеда 4 и совпадает с плоскостью пропускания первого поляризатора 3.

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

Поданный первым многомодовым волоконным световодом 1 (фиг. 3) квазихроматический свет с длиной волны λ_max в виде расходящегося пучка подается на коллимирующую линзу 2. Торец волоконного световода 1 находится в фокусе линзы 2, поэтому линза 2 формирует коллимированный пучок света, который после диафрагмы имеет диаметр D.

Если предположить, что источник света (на чертежах не показан) излучает частично поляризованный свет, то его излучение можно представить вектором Стокса [7]

где I₀ - интенсивность света, прошедшего через входной торец первого волоконного световода 1;

Р₁, Р₂, Р₃ - нормированные параметры Стокса.

Многомодовый волоконный световод полностью деполяризует свет и его можно представить матрицей преобразования

где τ_в≈1 - коэффициент пропускания света волоконным световодом.

После перемножения матриц (20) и (21) получаем вектор Стокса, характеризующий неполяризованный коллимированный пучок света, падающий на поляризатор 3:

Далее пучок света проходит поляризатор 3, становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого составляет угол 45° с большим ребром основания параллелепипеда 4, проходит первый раз параллелепипед 4, второй поляризатор 6, плоскость пропускания которого параллельна большому ребру второго основания параллелепипеда 4, дополнительную призму 10, дважды полностью отразившись в плоскости главного сечения призмы 10 свет второй раз проходит поляризатор 6, параллелепипед 4, поляризатор 3 и линзой 7 фокусируется на торце второго волоконного световода 8, который передает свет фотоприемнику (на фиг. 3 не показан).

По всем признакам оптическая схема предлагаемой ячейки Фарадея (фиг. 3) состоит из двух простейших ячеек Фарадея установленных последовательно. Одна - когда свет первый раз проходит поляризатор 3, магниточувствительный элемент 4, поляризатор 6 и призму 10 (или призму 11), а вторая - когда свет второй раз проходит поляризатор 6, магниточувствительный элемент 4 и первый поляризатор 3.

Интенсивность света I на выходе призмы 10 при первом проходе пропорциональна первому параметру вектора Стокса, который можно найти после перемножения матриц преобразования поляризованного света элементами оптики согласно уравнению

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

После перемножения матриц получаем параметры вектора Стокса линейно поляризованного света, вышедшего из призмы 10

Первый параметр этого вектора характеризует изменение интенсивности света, вышедшего из призмы 10

Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей, характеризующее угол поворота плоскости поляризации α, совпадает с формулой (7) для простой ячейки Фарадея, а именно

Далее линейно поляризованный свет повторно проходит поляризатор 6, параллелепипед 4 и поляризатор 3.

При этом на поляризатор 6 падает линейно поляризованный свет, плоскость поляризации которого совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 6. Поэтому перед матрицей йодно-поливинилового поляризатора 6 следует учитывать коэффициент пропускания 0,88.

После дальнейшего перемножения матриц получаем первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света

где K - постоянный коэффициент;

α - угол поворота плоскости поляризации света в результате одного прохода его через параллелепипед 4.

Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей света I характеризует величину угла поворота плоскости поляризации света, вызванного эффектом Фарадея

Величина измеряемого тока i пропорциональна отношению Q (27) и отношению (8)

где N=1 - число витков фрагмента проводника 5 с током;

V - постоянная Верде стекла параллелепипеда 4;

L=2h - длина пути света, пройденного дважды параллелепипед 4 высотой h между поляризаторами 3 и 6.

Волоконный световод 8 передает свет фотоприемному устройству (на чертежах не показано), в котором свет воспринимается фотоприемником, электрический сигнал от которого усиливается, вычисляется отношение Q переменной составляющей по отношению к постоянной составляющей, вычисляется значение измеряемого тока i, его значение индицируется на табло и с помощью интерфейса величина измеренного тока внешним устройствам.

В том случае, если вместо дополнительной призмы 10 (фиг. 3) приклеена призма 11 (фиг. 4) с крышей и одним отражением типа БкР-180°, то принцип работы предлагаемой ячейки Фарадея остается прежним.

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

Во-первых, главное преимущество состоит в том, что между поляризаторами 3, 6 (фиг. 3) кроме изотропного стекла параллелепипеда 4 нет никаких отражающих свет поверхностей, которые, будучи анизотропными элементами оптики, могли бы исказить линейно поляризованный свет и внести погрешность в измерения угла поворота плоскости поляризации α и, следовательно, в измерения переменного тока i.

Отражающие свет грани призмы 10 типа БР-180° и призмы 11 типа БкР-180° находятся после поляризатора 6. Кроме того, главные сечения призм 10 или 11 совпадают с плоскостью пропускания поляризатора 6. А это означает, что в призмах 10 или 11 распространяется одна компонента поляризованного света по отношению к плоскостям падения при полном внутреннем отражении света и разность фаз практически не возникает, а азимут линейно поляризованного света при выходе из призм 10 или 11 сохраняется практически таким как был при входе в призмы 10 или 11.

Во-вторых, коэффициенты отражения света в призмах 10 или 11 близки к единице, а в сравнении с прототипом коэффициент отражения только одного зеркального покрытия согласно расчетам [9] менее 0,85. Это преимущество благоприятно сказывается на энергетических параметрах оптической схемы предлагаемой ячейки Фарадея.

В-третьих, применение призмы 10 типа БР-180° или призмы 11 типа БкР-180° существенно облегчает юстировку и особенно методику крепления магниточувствительного элемента 4 относительно фрагмента проводника 5.

Так, для предотвращения разъюстировки ячейки Фарадея в известных прототипах требуют жестокие диамагнитные и диэлектрические оправы, которые, как правило, имеют отличные от стекла магниточувствительного элемента объемные и линейные температурные коэффициенты расширения. Практика показала, что при жестких климатических условиях эксплуатации оптических измерителей тока в высоковольтных сетях может происходить коробление и изменение зазоров между магниточувствительном элементом и оправой (корпусными деталями). Это может привести к появлению механических и термических нагрузок, действующих на стекло магниточувствительного элемента и, как следствие, к возникновению паразитной анизотропии и к возникновению существенных ошибок измерения угла поворота плоскости поляризации α и тока i.

В предлагаемой ячейке Фарадея можно применять мягкие теплоизоляционные материалы, обеспечивающие отсутствие механических и температурных локальных напряжений в стеклянном магниточувствительном элементе 4. Дело в том, что призмы 10 или 11 работают подобно уголковым отражателям, то есть отражают свет в том же направлении, откуда он пришел. Поэтому при механических наклонах элемента 4 призмы 10 или 11 позволяют сохранять юстировку, что обеспечивает нерастраиваемость оптической схемы.

В-четвертых, в предлагаемой ячейке Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях фрагмент проводника 5 с током i выполнен из медных эмалированных обмоточных проводников в виде набора отдельных полных витков, что позволяет избавиться от дополнительного нагрева фрагмента проводника 5 токами Фуко.

В-пятых, в предлагаемой ячейке Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях можно увеличивать число прохождений поляризованного пучка света через магниточувствительный элемент путем увеличения дополнительных призм, как показано на фиг. 5. Это способствует увеличению чувствительности и точности измерений токов при сохранении остальных характеристик.

Предлагаемая простая и компактная ячейка Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях найдет широкое применение в электроэнергетике при построении цифровых измерителей переменного тока различных классов высоковольтных сетей.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Гуртовцев А.Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока // Новости электротехники. - 2009. - №6.

2. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5000 «НПП Марс-Энерго» (приборы для электроэнергетики). [Электронный ресурс]. - URL: www.mars-energo.ru

3. Патент РФ ПМ №171401.

4. Губин В.П., Старостин Н.И., Пржиялковский Я.В. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока // Фотоника. - 2018. - Т. 12, №7(75).

5. Губин В.П. и др. Использование волоконных световодов типа spun в датчиках тока / Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36, №3.

6. Годжаев Η.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965.

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

8. Патент РФ №2321000.

9. Пеньковский А.И. «ОМП». - 1986. - №5. - с. 9.

1. Ячейка Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях, содержащая первый волоконный световод, формирователь коллимированного пучка света диаметром D, первый линейный поляризатор, магниточувствительный элемент, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током высоковольтной сети, выполненный в виде стеклянной четырехугольной призмы, второй линейный поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, фокусирующую свет линзу и второй волоконный световод, подающий свет на фотоприемное устройство, отличающаяся тем, что с целью повышения точности измерения тока магниточувствительный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с полированными основаниями, первый линейный поляризатор приклеен между первым основанием параллелепипеда и покровной плоскопараллельной стеклянной пластинкой так, что его плоскость пропускания составляет углы 45° с ребрами основания параллелепипеда, а второй линейный поляризатор приклеен между вторым основанием параллелепипеда и дополнительной стеклянной призмой с двумя отражениями типа БР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением дополнительной призмы, параллельна большему ребру второго основания равным по длине b≤2(D+2 мм) и, следовательно, составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора.

2. Ячейка Фарадея для измерения переменного тока в высоковольтных сетях по п. 1, отличающаяся тем, что с целью удвоения пути, пройденного светом в магниточувствительном элементе, ребра оснований параллелепипеда равны между собой, имеют длину 2(D+2 мм), перед первым поляризатором на плоскопараллельной стеклянной пластинке наклеена вторая дополнительная призма с двумя отражениями типа БР-180° шириной D+2 мм так, что ее главное сечение составляет угол 45° с ребрами первого основания и совпадает с плоскостью пропускания первого поляризатора.