RU2752341C1 - Optical dual-channel current meter - Google Patents

Optical dual-channel current meter Download PDF

Info

Publication number
RU2752341C1
RU2752341C1 RU2020131880A RU2020131880A RU2752341C1 RU 2752341 C1 RU2752341 C1 RU 2752341C1 RU 2020131880 A RU2020131880 A RU 2020131880A RU 2020131880 A RU2020131880 A RU 2020131880A RU 2752341 C1 RU2752341 C1 RU 2752341C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light
channel
polarizer
prism
current
Prior art date
Application number
RU2020131880A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Пеньковский
Original Assignee
Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" (АО "ЦКБ "ФОТОН")
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 "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" (АО "ЦКБ "ФОТОН") filed Critical Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" (АО "ЦКБ "ФОТОН")
Priority to RU2020131880A priority Critical patent/RU2752341C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752341C1 publication Critical patent/RU2752341C1/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)

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to optical instrument manufacture, in particular, to polarisation apparatuses wherein the Faraday effect is used to measure the electric current in high-voltage networks. Substance: the optical dual-channel current meter is comprised of two measuring channels: precise and rough. Each channel comprises a light source, an optical fibre, a collimator, a first polariser, a glass prism, a second polariser, the transmission plane whereof constitutes ±45° with the transmission plane of the first polariser, a second optical fibre, and a photodetector. Both glass prisms are installed in a coaxial magnetic field of a complete coil of a conductor segment, made, e.g., of a copper wide bus in form of one or two coils. The path taken by the polarised light in the glass of the precise channel is several times longer than the path taken by the light in the rough channel.EFFECT: increased current measurement range with high measurement accuracy, provided is also a signal for positive action of the relay protection at short-circuit currents.2 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых для измерения переменного электрического тока в высоковольтных сетях используется эффект Фарадея.The invention relates to optical instrumentation, or rather to optical polarizing devices, in which the Faraday effect is used to measure alternating electric current in high-voltage networks.

В настоящее время наиболее распространенными измерителями тока в высоковольтных сетях являются электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ИТТЭ) [1], которые содержат первичную обмотку из одного - двух витков фрагмента проводника высоковольтной линии, магнитопровод из трансформаторного железа и одну или две вторичные обмотки. Между первичной и вторичной обмотками находится изоляционный материал, например, трансформаторное масло или элегаз.Currently, the most common current meters in high-voltage networks are electromagnetic measuring current transformers (ITTE) [1], which contain a primary winding of one or two turns of a fragment of a high-voltage line conductor, a magnetic core made of transformer iron and one or two secondary windings. An insulating material such as transformer oil or SF6 gas is located between the primary and secondary windings.

Вторичная обмотка обязательно нагружена комплексным сопротивлением, через которое протекает номинальный ток вторичной обмотки (обычно 1, 2 или 5А).The secondary winding is necessarily loaded with a complex resistance, through which the rated current of the secondary winding flows (usually 1, 2 or 5A).

Если напряжение сети 330 кВ и выше, то ИТТЭ делают каскадными, то есть с несколькими магнитопроводами, у которых вторичная обмотка предыдущего магнитопровода является первичной обмоткой последующего.If the voltage of the network is 330 kV and higher, then the ITFC is made in cascade, that is, with several magnetic circuits, in which the secondary winding of the previous magnetic circuit is the primary winding of the next one.

Это снижает требования к изоляции между обмотками.This reduces the requirement for insulation between the windings.

Существенными недостатками ИТТЭ являются:Significant disadvantages of ITTE are:

- высокая пожароопасность в связи с возможным электрическим пробоями изоляции между обмотками;- high fire hazard due to possible electrical breakdowns of insulation between the windings;

- насыщение магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания;- saturation of the magnetic circuit of the aperiodic component of the short-circuit current;

- значительный расход меди для изготовления вторичных обмоток;- significant consumption of copper for the manufacture of secondary windings;

- неизбежный расход электроэнергии во вторичных обмотках;- the inevitable consumption of electricity in the secondary windings;

- влияние на точность измерения тока величины нагрузки и числа подключенных ко вторичной обмотке регистраторов измеренного тока;- influence on the accuracy of current measurement of the load value and the number of measured current recorders connected to the secondary winding;

- аналоговый сигнал, характеризующий измеренный ток;- analog signal characterizing the measured current;

- большие габариты, вес и стоимость, особенно при напряжениях сети 330 кВ и более.- large dimensions, weight and cost, especially at network voltages of 330 kV and more.

В качестве альтернативы ИТТЭ существует ряд устройств для измерения тока, принцип работы которых основан не на принципе электромагнитной трансформации тока, а на других физических принципах.As an alternative to ITTE, there are a number of devices for measuring current, the operating principle of which is based not on the principle of electromagnetic current transformation, but on other physical principles.

Наиболее удобными и перспективными являются измерители тока оптические, принцип работы которых основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в магниточувствительном изотропном веществе (стекле), находящемся в продольном (коаксиальном) магнитном поле (на эффекте Фарадея).The most convenient and promising are optical current meters, the principle of operation of which is based on the phenomenon of rotation of the plane of polarization of linearly polarized light in a magnetically sensitive isotropic substance (glass) located in a longitudinal (coaxial) magnetic field (based on the Faraday effect).

Суть эффекта 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 стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции и между этими компонентами возникает разность фазThe essence of the effect is as follows. Linearly polarized light can be represented as the sum of two circularly polarized components of the same amplitude. Under the action of a longitudinal magnetic field in substances such as glass, birefringence occurs for the circularly polarized components of the left and right circulation, and a phase difference arises between these components

Figure 00000001
Figure 00000001

где Vл, Vпр - фазовые скорости распространения левой и правой волн;where V l , V pr - phase velocities of propagation of the left and right waves;

nл, nпр - коэффициенты преломления соответственно для левой и правой циркулярно поляризованных компонент;n l , n pr - refractive indices, respectively, for the left and right circularly polarized components;

L - путь, пройденный поляризованным светом в веществе вдоль напряженности магнитного поля;L is the path traversed by the polarized light in the substance along the magnetic field strength;

λ0 - длина волны света.λ 0 is the wavelength of light.

Если магниточувствительное стекло изотропно, то есть не обладает линейным двулучепреломлением [2], то на выходе из стекла циркулярная поляризация обеих компонент сохраняется и при их сложении получается опять линейно поляризованный свет, но с измененным азимутом поляризации на уголIf the magnetically sensitive glass is isotropic, that is, it does not have linear birefringence [2], then at the exit from the glass the circular polarization of both components is retained and when they are added, linearly polarized light is obtained again, but with a changed polarization azimuth by an angle

Figure 00000002
Figure 00000002

где:

Figure 00000003
- величина напряженности продольного магнитного поля, действующего на стекло;where:
Figure 00000003
- the magnitude of the strength of the longitudinal magnetic field acting on the glass;

V - постоянная Верде стекла;V is the Verde glass constant;

L - путь, пройденный поляризованным светом в стекле;L is the path traveled by the polarized light in the glass;

β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля;β is the angle between the direction of propagation of light and the direction of the lines of force of the magnetic field;

N - число витков фрагмента проводника;N is the number of turns of the wire fragment;

i - ток, протекаемый по фрагменту проводника;i is the current flowing through the fragment of the conductor;

k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние от стекла до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла.k is a design factor that takes into account the distance from the glass to the current conductor and the averaging of the magnetic field strength at different points of the glass.

Из формул (1, 2) видно, что для измерения тока i, протекаемого по проводнику высоковольтной линии, можно использовать два способа: способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации α или на измерении разности фаз δ0.From formulas (1, 2), it can be seen that two methods can be used to measure the current i flowing through the conductor of a high-voltage line: a method based on measuring the azimuth of linear polarization α or measuring the phase difference δ 0 .

Чаще всего используют первый способ, при котором на магниточувствительный элемент (стекло), находящийся в продольном магнитном поле, направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют изменение азимута линейной поляризации света, которое пропорционально напряженности магнитного поля, и, следовательно, измеренному току i.Most often, the first method is used, in which linearly polarized light is directed to a magnetically sensitive element (glass) located in a longitudinal magnetic field, and at the exit from the glass the change in the azimuth of the linear polarization of light is measured, which is proportional to the magnetic field strength, and, therefore, to the measured current i ...

Известно простейшее устройство [3], реализующее этот способ. Оно содержит источник коллимированного света, первый линейный поляризатор, стеклянный стержень с полированными торцами, второй линейный поляризатор. Пусть плоскость пропускания второго поляризатора составляет с плоскостью пропускания первого поляризатора угол ±45°, а стеклянный стержень помещен в центре соленоида, по которому проходит измеряемый переменный ток частоты сети ω=50 ГцThe simplest device is known [3] that implements this method. It contains a collimated light source, a first linear polarizer, a glass rod with polished ends, and a second linear polarizer. Let the transmission plane of the second polarizer make an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer, and the glass rod is placed in the center of the solenoid, through which the measured alternating current of the mains frequency ω = 50 Hz flows

Figure 00000004
Figure 00000004

По воздействию на линейно поляризованный свет стеклянный стержень можно представить матрицей ротатора [4]:According to the effect on linearly polarized light, a glass rod can be represented by a rotator matrix [4]:

Figure 00000005
Figure 00000005

где αmax - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света, в соответствии с формулой (3).where α max is the maximum amplitude of the angle of rotation of the plane of polarization of light, in accordance with formula (3).

Интенсивность света I на выходе устройства можно найти из уравненияThe light intensity I at the output of the device can be found from the equation

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
вектор Стокса неполяризованного света источника интенсивностью I0;where
Figure 00000007
Stokes vector of unpolarized light source with intensity I 0 ;

П]45° и [МП] - табличные матрицы для идеальных линейных поляризаторов [4] с плоскостями пропускания, соответственно 0° и 45°.[M P ] 45 ° and [M P ] 0 ° are tabular matrices for ideal linear polarizers [4] with transmission planes, respectively, 0 ° and 45 °.

После перемножения матриц преобразования (5) находим первый параметр вектора Стокса, характеризующий интенсивность света I, после второго поляризатораAfter multiplying the transformation matrices (5), we find the first parameter of the Stokes vector, which characterizes the light intensity I, after the second polarizer

Figure 00000008
Figure 00000008

Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей света I несет в себе информацию о угле поворота α и о величине тока i, а именно:The ratio Q of the variable component to the constant component of light I carries information about the angle of rotation α and the magnitude of the current i, namely:

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Однако такие простейшие устройства 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 [5].However, such simple devices are not used in high-voltage networks due to the complexity of supplying light to a glass rod under high voltage. It is tempting to use fiber optics as a magnetically sensitive element of the Faraday cell. Known devices in which fiber optic fibers are wound in the form of coils and put on fragments of conductors with a high-voltage line current so that the turns of the optical fibers coincide with the direction of the magnetic field lines of the fragment of the conductor [5].

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 между взаимоортагональными компонентами линейно поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным.The main disadvantage of such devices is the significant depolarization of linearly polarized light in optical fibers. 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 inevitably occurs between the mutually orthogonal components of linearly polarized light and the linearly polarized light becomes elliptically polarized.

Величина разности фаз 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 линейного 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.The magnitude of the phase difference and the degree of ellipticity depend on the orientation of the plane of polarization of the incident light relative to the plane of the interface between the fiber core and its cladding, as well as on the angle of refraction at each event of internal reflection inside the fiber. In addition, when the fibers are bent, mechanical loads inevitably appear in them, which lead to the appearance of linear birefringence and to an additional phase difference. Consequently, optical fibers are anisotropic. Any optical fiber can be represented as a set of phase plates with different directions of the main axes, converting linearly polarized light into elliptical.

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).During the propagation of linearly polarized light in an optical fiber, a chaotic transformation of the state of polarization of light occurs, and at the output of the optical fiber, instead of linearly polarized light, we obtain partially polarized light (if the optical fiber is single-mode and short) or completely unpolarized light (if the optical fiber is multimode).

Следовательно, магниточувствительный элемент, выполненный в виде одномодового волоконного световода, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразованияConsequently, a magnetically sensitive element made in the form of a single-mode fiber light guide, according to the effect on linearly polarized light, can be represented by a transformation matrix

Figure 00000011
Figure 00000011

где р=1-Δр - степень поляризации света;where p = 1-Δp is the degree of polarization of light;

α - угол поворота плоскости поляризации света под воздействием магнитного поля.α is the angle of rotation of the plane of polarization of light under the influence of a magnetic field.

Если матрицу (9) подставить в уравнение (5), то после перемножений матриц найдем интенсивность света, выходящего из волоконного световода после второго поляризатораIf matrix (9) is substituted into equation (5), then after multiplication of the matrices we find the intensity of the light emerging from the fiber after the second polarizer

Figure 00000012
Figure 00000012

В этом случае величину измеряемого тока i можно представить выражениемIn this case, the value of the measured current i can be represented by the expression

Figure 00000013
Figure 00000013

Из уравнения (11) видно, что с уменьшением степени поляризации р уменьшается амплитуда оптического сигнала, несущего информацию о эффекте Фарадея (о угле поворота α) и, соответственно, вносится ошибка в результаты измерения тока.It can be seen from equation (11) that with a decrease in the degree of polarization p, the amplitude of the optical signal that carries information about the Faraday effect (about the angle of rotation α) decreases and, accordingly, an error is introduced into the results of measuring the current.

Для устранения этого существенного недостатка в работах [6, 7] предложено в качестве магниточувствительного элемента ячейки Фарадея использовать spun-волокно и вместо линейно поляризованного света в spun-волокно подавать циркулярно поляризованный свет.To eliminate this significant drawback, it was proposed in [6, 7] to use a spun fiber as a magnetically sensitive element of the Faraday cell and supply circularly polarized light to the spun fiber instead of linearly polarized light.

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.Spun fiber is fundamentally different from the rest in that it is obtained by rotating the blank during the drawing process. As a result, this fiber acquires a spiral structure and should be considered as a set of phase plates, the main axes of which rotate when moving in the direction of propagation of light, that is, the quasi-principal directions of optical anisotropy rotate, in which the integral Wertheim's law does not hold.

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 [6]. Степень сохранения циркулярной поляризации зависит от шага спиральной структуры Ls spun-волокна и длины биений встроенного двойного лучепреломления Lв, то есть от параметраIn this case, when linearly polarized light propagates along a spun fiber, its complete depolarization occurs, and if circularly polarized light is directed instead of linearly polarized light, then its degree of polarization is partially preserved [6]. The degree of conservation of circular polarization depends on the pitch of the spiral structure L s of the spun fiber and the beat length of the built-in birefringence L in , that is, on the parameter

Figure 00000014
Figure 00000014

В таком известном устройстве используется способ измерения разности фаз (1) между компонентами с правой и левой циркуляцией поляризованного света. Практическая реализация этого способа [6] 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.Such a known device employs a method for measuring the phase difference (1) between right and left circulating polarized light components. The practical implementation of this method [6] is not easy both in terms of manufacturing spun-fiber and creating an infrared interferometer operating at a wavelength of λ = 1550 nm with a special ultrasonic birefringent modulator. The product is complex and expensive.

Известен оптический измеритель переменного тока [8], который является прототипом предлагаемому устройству.Known optical AC meter [8], which is a prototype of the proposed device.

Это известное устройство содержит источник света 1 (фиг. 1), первый подающий свет многомодовый волоконный световод 2, коллимирующую линзу 3, формирующую параллельный пучок света диаметром D, первый линейный поляризатор 4, магниточувствительный элемент, выполненный из оптического стекла с высокой постоянной Верде в виде четырехугольной призмы 5 высотой h1, находящейся в продольном магнитном поле фрагмента проводника 6 высоковольтной линии, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающую линзу 8, второй многомодовый волоконный световод 9, фотоприемник 10, и электронный блок 11.This known device contains a light source 1 (Fig. 1), a first light-supplying multimode optical fiber 2, a collimating lens 3 forming a parallel light beam of diameter D, a first linear polarizer 4, a magnetically sensitive element made of optical glass with a high Verdet constant in the form a quadrangular prism 5 with a height h 1 located in the longitudinal magnetic field of a fragment of a conductor 6 of a high-voltage line, a second polarizer 7, the transmission plane of which makes an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer 4, a collecting lens 8, a second multimode optical fiber 9, a photodetector 10, and electronic unit 11.

С целью многократного прохождения поляризованного пучка света общего пути L1, например, L1=4h1, прямоугольная призма 5 содержит одно зеркальное покрытие 12 в виде полоски в середине первого основания призмы 5 и два зеркальных покрытия на полированных плоскостях 13, 14 второго основания призмы 5, наклоненные к плоскости первого основания под угламиIn order to repeatedly pass the polarized light beam of the common path L 1 , for example, L 1 = 4h 1 , the rectangular prism 5 contains one mirror coating 12 in the form of a strip in the middle of the first base of the prism 5 and two mirror coatings on the polished planes 13, 14 of the second base of the prism 5 inclined to the plane of the first base at angles

Figure 00000015
Figure 00000015

Известное устройство [8] работает следующим образом.The known device [8] works as follows.

Свет от источника 1 (фиг. 1) по волоконному световоду 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 4, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.The light from the source 1 (Fig. 1) is transmitted through the 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 beam of diameter D. Then the light passes through the first polarizer 4, becomes linearly polarized, passes four times the quadrangular prism 5, passes the second polarizer 7 and is collected by the lens 8 at the end of the optical fiber 9. Then the light enters the photodetector 10.

Если ток по проводнику 6 не протекает и магнитное поле вокруг проводника 6 отсутствует, то в процессе прохождения света через призму 5 его состояние поляризации не меняется. Поскольку азимут плоскости пропускания поляризатора 7 отличается от плоскости пропускания поляризатора 4 на угол ±45°, то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностьюIf the current does not flow through the conductor 6 and there is no magnetic field around the conductor 6, then during the passage of light through the prism 5 its polarization state does not change. Since the azimuth of the transmission plane of the polarizer 7 differs from the transmission plane of the polarizer 4 by an angle of ± 45 °, the photodetector 10 perceives light with an intensity

Figure 00000016
Figure 00000016

где I0 - интенсивность света источника 1;where I 0 - light intensity of source 1;

R - общий коэффициент отражения;R is the total reflection coefficient;

τ - общий коэффициент пропускания всех элементов оптики.τ is the total transmittance of all elements of the optics.

Если по шине 6 протекает переменный ток i=imaxsinωt частоты сети (ω=50 Гц), то фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностьюIf the bus 6 flows an alternating current i = i max sinωt of the mains frequency (ω = 50 Hz), then the photodetector 10 perceives light with an intensity

Figure 00000017
Figure 00000017

где: αmax=HmaxVL1cosβ - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой 5;where: α max = H max VL 1 cos β is the maximum amplitude of the angle of rotation of the plane of polarization of light by the prism 5;

V - постоянная Верде материала призмы 5;V is the Verde constant of the material of the prism 5;

L1 - общая длина пути света в призме 5;L 1 - the total length of the path of light in the prism 5;

β - угол между направлением распространения света и магнитными силовыми линиями поля.β is the angle between the direction of propagation of light and the magnetic lines of force of the field.

Фотоприемник 10 работает в линейном режиме, поэтому световой поток I фотоприемником преобразуется в электрический сигналPhotodetector 10 operates in a linear mode, so the luminous flux I is converted into an electrical signal by the photodetector

Figure 00000018
Figure 00000018

где U0 - постоянная составляющая электрического сигнала фотоприемника 10.where U 0 is the constant component of the electrical signal of the photodetector 10.

В электронном блоке 11 вычисляется отношение Q переменной составляющейIn the electronic unit 11, the ratio Q of the variable component is calculated

Figure 00000019
Figure 00000019

к постоянной составляющей U0 to the constant component U 0

Figure 00000020
Figure 00000020

а затем вычисляется искомый ток i, протекаемый по проводнику 5, по формулеand then the sought current i, flowing through the conductor 5, is calculated by the formula

Figure 00000021
Figure 00000021

где М - коэффициент, характеризующий эффективность использования магнитного поля.where M is a coefficient characterizing the efficiency of using the magnetic field.

Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом табло электронного блока 11 и с помощью интерфейса транслируется на другие внешние устройства.The measurement results of the alternating current are indicated on the digital display of the electronic unit 11 and, using the interface, are transmitted to other external devices.

Данное известное устройство превосходит другие так называемые оптические трансформаторы тока тем, что в качестве магниточувствительного элемента используется оптическое стекло, а волоконные световоды используются только для передачи неполяризованного света.This known device is superior to other so-called optical current transformers in that optical glass is used as a magnetically sensitive element, and optical fibers are used only to transmit unpolarized light.

Однако, оно обладает некоторыми ограничениями в процессе эксплуатации.However, it has some limitations during operation.

Во-первых, согласно формул (17), (18) амплитуда приращения угла поворота плоскости поляризации αmax должна быть всегда меньше ±45°. Так, если при номинальном токе iн угол поворота αmax ≈ 5° (предпочтительный режим работы на линейном участке кривой Q=f(α)), то при броске тока в сети, например в результате короткого замыкания (iкз≥10iн), угол αкз>50°, что приводит к нарушению принципа работы устройства и к потери информации о истинном значении тока.First, according to formulas (17), (18), the amplitude of the increment in the angle of rotation of the plane of polarization α max should always be less than ± 45 °. So, if at rated current i n the angle of rotation α max ≈ 5 ° (the preferred mode of operation on the linear section of the curve Q = f (α)), then with an inrush current in the network, for example, as a result of a short circuit (i kz ≥10i n ) , angle α kz > 50 °, which leads to violation of the principle of operation of the device and to the loss of information about the true value of the current.

Во-вторых, первоначально настраивая измеритель тока оптический на максимальный ток iн в реальных условиях измеряемый ток может быть намного меньше ожидаемого, что приводит к понижению точности измерений по сравнению с настройками для малых токов.Secondly, by initially adjusting the optical current meter to the maximum current i n in real conditions, the measured current can be much less than expected, which leads to a decrease in the measurement accuracy compared to the settings for low currents.

В-третьих, с увеличением величины номинального тока требуется увеличение сечения фрагмента проводника (соленоида), т.е. требуется его замена, что в процессе монтажа измерителя тока оптического на объекте неудобно.Thirdly, with an increase in the value of the rated current, an increase in the cross-section of the fragment of the conductor (solenoid) is required, i.e. its replacement is required, which is inconvenient during the installation of the optical current meter at the facility.

Предлагается новый измеритель тока оптический двухканальный, свободный от упомянутых недостатков.A new two-channel optical current meter, free from the above-mentioned drawbacks, is proposed.

Измеритель тока оптический двухканальный содержит точный канал, в котором установлены источник света, первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллимирующую линзу, первый поляризатор, магниточувствительный элемент в виде стеклянной прямоугольной призмы высотой h1 с зеркальными покрытиями для обеспечения многократного прохождения поляризованного света общего пути L1, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающую линзу, второй многомодовый волоконный световод, фотоприемник, предварительный усилитель, блок обработки сигнала, микропроцессор с индикатором результатов измерений и интерфейсом.The two-channel optical current meter contains a precise channel, in which a light source is installed, a first light-supplying multimode optical fiber, a collimating lens, a first polarizer, a magnetically sensitive element in the form of a glass rectangular prism of height h 1 with mirror coatings to ensure the multiple passage of polarized light of the common path L 1 located in the longitudinal magnetic field of a fragment of a high-voltage line conductor, a second polarizer, the transmission plane of which makes an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer, a collecting lens, a second multimode optical fiber, a photodetector, a preamplifier, a signal processing unit, a microprocessor with an indicator of measurement results and interface.

С целью расширения диапазона измерений тока и гарантированного обеспечения формирования сигнала для срабатывания релейной защиты при коротком замыкании непосредственно возле магниточувствительного элемента точного канала установлен дополнительный магниточувствительный элемент грубого канала тоже в виде стеклянной прямоугольной призмы высотой h2<h1, но без зеркальных покрытий. Во втором грубом канале установлены второй источник света, вторая пара многомодовых волоконных световодов (подающий и принимающий свет), второй фотоприемник, второй электронный блок.In order to expand the range of current measurements and to ensure the formation of a signal for the operation of relay protection in case of a short circuit, an additional magnetosensitive element of a coarse channel is installed directly near the magnetosensitive element of the precise channel, also in the form of a glass rectangular prism with a height h 2 <h 1 , but without mirror coatings. In the second coarse channel, a second light source, a second pair of multimode optical fibers (supplying and receiving light), a second photodetector, and a second electronic unit are installed.

Далее подробно описывается предлагаемое устройство и иллюстрируется чертежами.Next, the proposed device is described in detail and illustrated by the drawings.

На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока по патенту РФ ПМ №171401.FIG. 1 shows a block diagram of a known optical AC meter according to RF patent PM No. 171401.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого измерителя тока оптического двухканального.FIG. 2 shows a block diagram of the proposed two-channel optical current meter.

На фиг. 3 показана оптическая схема точного канала предлагаемого измерителя тока оптического двухканального.FIG. 3 shows the optical scheme of the precise channel of the proposed two-channel optical current meter.

На фиг. 4 показана оптическая схема второго грубого канала предлагаемого устройства.FIG. 4 shows the optical scheme of the second coarse channel of the proposed device.

На фиг. 5 показана структурная схема электронного блока.FIG. 5 shows a block diagram of the electronic unit.

На фиг. 6 показан фрагмент проводника высоковольтной линии в виде одного полного витка из плоской медной шины с накладками.FIG. 6 shows a fragment of a high-voltage line conductor in the form of one complete turn from a flat copper bus with strips.

На фиг. 7 показана конструкция накладки.FIG. 7 shows the design of the pad.

На фиг. 8 показан вариант исполнения фрагмента проводника в виде двух витков, соединенных последовательно.FIG. 8 shows an embodiment of a fragment of a conductor in the form of two turns connected in series.

На фиг. 9 показана конструкция одного витка двухвиткового фрагмента проводника с накладкой.FIG. 9 shows the construction of one turn of a two-turn fragment of a conductor with a strap.

Предлагаемый измеритель тока оптический двухканальный содержит точный канал измерения тока, в котором установлены последовательно источник света 1 (фиг. 2), первый подающий свет многомодовый волоконный световод 2, коллимирующая линза 3, первый поляризатор 4, магниточувствительный элемент в виде стеклянной прямоугольной призмы 5 высотой h1, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника 6 высоковольтной линии, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающую линзу 8, второй многомодовый волоконный световод 9, фотоприемник 10 и электронный блок 11.The proposed two-channel optical current meter contains an accurate current measurement channel, in which a light source 1 (Fig. 2) is installed in series, a first light-supplying multimode optical fiber 2, a collimating lens 3, a first polarizer 4, a magnetically sensitive element in the form of a rectangular glass prism 5 of height h 1 , located in the longitudinal magnetic field of the fragment of the conductor 6 of the high-voltage line, the second polarizer 7, the transmission plane of which is ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer 4, the collecting lens 8, the second multimode optical fiber 9, the photodetector 10 and the electronic unit 11.

Для обеспечения многократного, например, четырехкратного, прохождения поляризованного света в прямоугольной призме 5 (фиг. 2, фиг. 3) точного канала нанесены зеркальные покрытия 12, 13, 14. Зеркальное покрытие 12 нанесено в виде полоски на середину первого основания призмы 5, а зеркальные покрытия 13, 14 нанесены на наклоненные поверхности второго основания призмы 5.To ensure multiple, for example, fourfold, passage of polarized light in a rectangular prism 5 (Fig. 2, Fig. 3) of the exact channel, mirror coatings 12, 13, 14. A mirror coating 12 is applied in the form of a strip to the middle of the first base of the prism 5, and mirror coatings 13, 14 are applied to the inclined surfaces of the second base of the prism 5.

Непосредственно рядом с магниточувствительным элементом (призмой) 5 точного канала (фиг. 2) установлен дополнительный магниточувствительный элемент 15 грубого канала тоже в виде стеклянной прямоугольной призмы 15 (фиг. 4) высотой h2<h1 с длиной пути света L2<L1 но без зеркальных покрытий. На полированных основаниях призмы 15 наклеены поляризаторы 16, 17. Поляризатор 16 защищен покровной плоскопараллельной пластинкой 18, а поляризатор 17 заклеен между призмой 15 и призмой 19 типа БР-180° так, что его плоскость пропускания совпадает с главным сечением призмы 19. Плоскость пропускания поляризатора 16 составляет угол ±45° с плоскостью пропускания поляризатора 17.Directly next to the magnetically sensitive element (prism) 5 of the precise channel (Fig. 2), an additional magnetically sensitive element 15 of the coarse channel is also installed in the form of a glass rectangular prism 15 (Fig. 4) with a height h 2 <h 1 with a light path length L 2 <L 1 but no mirror coatings. Polished bases of prism 15 are glued with polarizers 16, 17. Polarizer 16 is protected by a cover plane-parallel plate 18, and polarizer 17 is glued between prism 15 and prism 19 of type BR-180 ° so that its transmission plane coincides with the main section of prism 19. Transmission plane of polarizer 16 makes an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the polarizer 17.

Во втором грубом канале установлены второй источник света 20, (фиг. 2, фиг. 4) второй подающий свет многомодовый волоконный световод 21, коллимирующая линза 22, собирающая свет линза 23, второй многомодовый волоконный световод 24, подающий свет на второй фотоприемник 25.In the second coarse channel, a second light source 20 is installed, (Fig. 2, Fig. 4) a second light supplying multimode optical fiber 21, a collimating lens 22, a light collecting lens 23, a second multimode optical fiber 24, which supplies light to the second photodetector 25.

В электронном блоке 11 (фиг. 2, фиг. 5) предлагаемого устройства также имеется два канала. Точный канал измерений содержит фотоприемник 10 (фиг. 5), предварительный усилитель 26, блок обработки сигнала 27, подключенный к первому входу микропроцессора 28, индикатор результатов измерений 29, интерфейс 30 и блок питания 31.The electronic unit 11 (Fig. 2, Fig. 5) of the proposed device also has two channels. The exact measurement channel contains a photodetector 10 (Fig. 5), a preamplifier 26, a signal processing unit 27 connected to the first input of the microprocessor 28, an indicator of measurement results 29, an interface 30 and a power supply unit 31.

Дополнительный грубый канал измерений содержит фотоприемник 25, предварительный усилитель 32, блок обработки сигнала 33, который подключен ко второму входу микропроцессора 28. К предварительному усилителю 32 подключено пороговое устройство триггерного типа 34 с усилителем мощности 35, который подключен к микропроцессору 28 и со входом релейной защиты (на чертеже не показано).An additional coarse measurement channel contains a photodetector 25, a preamplifier 32, a signal processing unit 33, which is connected to the second input of the microprocessor 28. A trigger-type threshold device 34 with a power amplifier 35 is connected to the preamplifier 32, which is connected to the microprocessor 28 and with a relay protection input (not shown in the drawing).

Фрагмент проводника высоковольтной линии выполнен в виде одного или двух полных витков из плоской медной шины.A fragment of the high-voltage line conductor is made in the form of one or two full turns from a flat copper bus.

В качестве примера на фиг. 6 показан вариант исполнения фрагмента проводника в виде полного витка, изготовленного из медной шины ШММ а=10 мм,

Figure 00000022
(ГОСТ 434-78 и ГОСТ 859-2001) для измерения тока iн=3000A.By way of example, in FIG. 6 shows an embodiment of a fragment of a conductor in the form of a full turn made of a copper bus ShMM a = 10 mm,
Figure 00000022
(GOST 434-78 and GOST 859-2001) for measuring current i n = 3000A.

Внутренний диаметр d витка фрагмента проводника 6 выбран из расчета размещения в нем призм 5 и 15 (фиг. 6) в общей оправе 35 и обеспечения зазора между оправой призм и фрагмента проводника 6 для движения воздуха для предотвращения нагрева призм 5, 15.The inner diameter d of the turn of the fragment of the conductor 6 is selected on the basis of placing prisms 5 and 15 (Fig. 6) in it in the common frame 35 and providing a gap between the frame of the prisms and the fragment of the conductor 6 for air movement to prevent heating of the prisms 5, 15.

С целью формирования выводов (площадок) длиной

Figure 00000023
(фиг. 6) для подсоединения проводников высоковольтной сети перед формированием полного витка на концах заготовки шины толщиной а=10 мм, шириной
Figure 00000024
и длиной
Figure 00000025
выполнены вырезы шириной
Figure 00000026
и длиной
Figure 00000027
In order to form conclusions (sites) with a length
Figure 00000023
(Fig. 6) for connecting the conductors of the high-voltage network before forming a full turn at the ends of the bus blank with a thickness of a = 10 mm, a width
Figure 00000024
and length
Figure 00000025
cutouts are made in width
Figure 00000026
and length
Figure 00000027

Для сохранения общего сечения

Figure 00000028
меди фрагмента проводника 6 на его выводах напаяны и проварены по контуру накладки 36 и 37 (фиг. 6, 7),.изготовленные также из медной шины ШММ толщиной а=10 мм и шириной
Figure 00000029
To maintain the overall section
Figure 00000028
copper of a fragment of a conductor 6 on its terminals are soldered and welded along the contour of the strips 36 and 37 (Fig. 6, 7), also made of a copper bus ShMM with a thickness of a = 10 mm and a width
Figure 00000029

На фиг. 8 в качестве примера показан вариант исполнения фрагмента проводника 6 в виде двух одинаковых витков 38, 39, соединенных последовательно перемычкой 40, которые изготовлены из медной шины ШММ толщиной а=8 мм и шириной

Figure 00000030
(ГОСТ 434-78). Этот вариант конструкции обеспечивает более высокую точность измерений тока в диапазоне до iн=1200А.FIG. 8, as an example, an embodiment of a fragment of a conductor 6 is shown in the form of two identical turns 38, 39, connected in series by a jumper 40, which are made of a copper bus ShMM with a thickness of a = 8 mm and a width
Figure 00000030
(GOST 434-78). This design option provides a higher accuracy of current measurements in the range up to i n = 1200A.

На фиг. 9 показана конструкция одного витка 38 с накладкой 41. Накладка 41 припаяна к витку 38 припоем и дополнительно приварена по торцам сваркой.FIG. 9 shows the structure of one turn 38 with a strap 41. The strap 41 is soldered to the turn 38 with solder and additionally welded at the ends by welding.

Внутренний диаметр двух витков 38, 39 (фиг. 8) и внутренний диаметр одного витка фрагмента проводника 6 (фиг. 6) одинаковы и равны d. Этим достигается универсальность при монтаже в зависимости от величины номинального измеряемого тока iн=1200А или iн=3000А.The inner diameter of two turns 38, 39 (Fig. 8) and the inner diameter of one turn of the fragment of the conductor 6 (Fig. 6) are the same and equal to d. This achieves versatility during installation, depending on the value of the rated measured current i n = 1200A or i n = 3000A.

Предлагаемый измеритель тока оптический двухканальный работает следующим образом.The proposed optical two-channel current meter operates as follows.

Свет от источника 1 (фиг. 2) точного канала по волоконному световоду 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 4, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.The light from the source 1 (Fig. 2) of the precise channel is transmitted through the 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 4, becomes linear polarized, passes four times the quadrangular prism 5, passes the second polarizer 7 and is collected by the lens 8 at the end of the optical fiber 9. Then the light enters the photodetector 10.

Если по фрагменту проводника в виде полного витка шины 6 протекает переменный ток частоты ω (50 Гц)If an alternating current of frequency ω (50 Hz) flows through a fragment of a conductor in the form of a full turn of the bus 6

Figure 00000031
Figure 00000031

то согласно формул (2, 15) фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностьюthen, according to formulas (2, 15), the photodetector 10 perceives light with an intensity

Figure 00000032
Figure 00000032

Световой поток I1 фотоприемником 10 преобразуется в электрический сигналThe luminous flux I 1 is converted by the photodetector 10 into an electrical signal

Figure 00000033
Figure 00000033

где:

Figure 00000034
- максимальный угол поворота плоскости поляризации света призмой 5;where:
Figure 00000034
- the maximum angle of rotation of the plane of polarization of light by the prism 5;

L1 - путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме 5.L 1 is the path traveled by linearly polarized light in prism 5.

После предварительного усиления усилителем 26 (фиг. 5) блок обработки сигнала 27 разделяет постоянную составляющую сигнала (20)

Figure 00000035
и переменную составляющуюAfter pre-amplification by the amplifier 26 (Fig. 5), the signal processing unit 27 separates the DC component of the signal (20)
Figure 00000035
and variable component

Figure 00000036
Figure 00000036

Постоянная составляющая подается на один вход микропроцессора 28, а переменная составляющая детектируется, сглаживается и подается на второй вход микропроцессора 28.The constant component is supplied to one input of the microprocessor 28, and the variable component is detected, smoothed and fed to the second input of the microprocessor 28.

Микропроцессор 28 вычисляет отношение Q сигнала, пропорциональное переменной составляющей (21) к постоянной составляющейMicroprocessor 28 calculates the ratio Q of the signal proportional to the AC component (21) to the DC component

Figure 00000037
Figure 00000037

затем вычисляет искомый ток i, протекаемый по фрагменту проводника 6 по формуле (19).then calculates the desired current i, flowing through the fragment of the conductor 6 according to the formula (19).

Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом индикаторе 29 и с помощью платы интерфейса 30 транслируется на внешние устройства для регистрации и управления.The results of measuring alternating current are indicated on a digital indicator 29 and, using the interface board 30, are transmitted to external devices for registration and control.

Одновременно свет интенсивностью I2≈I1 от источника 20 (фиг. 2, фиг. 4) второго грубого канала по многомодовому световоду 21 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 22. Вышедший из оптического волокна 21 расходящийся пучок света преобразуется линзой 22 в коллимированный пучок света так же диаметром D. Далее свет проходит пластинку 18, поляризатор 16, становится линейно поляризованным, проходит один раз четырехугольную дополнительную призму 15, поляризатор 17, дважды отражается от полированных поверхностей призмы 19 типа БР-180°, линзой 23 (фиг. 4) собирается на торце волоконного световода 24 и передается фотоприемнику 25.At the same time, light with an intensity I 2 ≈I 1 from a source 20 (Fig. 2, Fig. 4) of the second coarse channel is transmitted through the multimode fiber 21 to the focal plane of the collimating lens 22. The diverging light beam emerging from the optical fiber 21 is converted by the lens 22 into a collimated light beam also with a diameter D. Next, the light passes the plate 18, the polarizer 16, becomes linearly polarized, passes once the quadrangular additional prism 15, the polarizer 17, is twice reflected from the polished surfaces of the prism 19 of the BR-180 ° type, is collected by the lens 23 (Fig. 4) at the end of the fiber light guide 24 and transmitted to the photodetector 25.

Световой поток 12 фотоприемником 25 преобразуется в электрический сигналThe luminous flux 1 2 is converted by a photodetector 25 into an electrical signal

Figure 00000038
Figure 00000038

где:

Figure 00000039
- максимальный угол поворота плоскости поляризации света призмой 15 (фиг. 2);where:
Figure 00000039
- the maximum angle of rotation of the plane of polarization of light by the prism 15 (Fig. 2);

L2 - путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме 15.L 2 - the path traveled by linearly polarized light in the prism 15.

После предварительного усиления усилителем 32 (фиг. 5) блок обработки сигнала 33 разделяет постоянную составляющую сигнала (23) U1= и переменную составляющуюAfter pre-amplification by the amplifier 32 (Fig. 5), the signal processing unit 33 separates the DC component of the signal (23) U 1 = and the AC component

Figure 00000040
Figure 00000040

Уровень постоянной составляющей

Figure 00000041
грубого канала равен или близок к уровню постоянной составляющей точного (основного) канала
Figure 00000042
А уровень (амплитуда) переменной составляющей грубого канала (23) в несколько раз меньше амплитуды точного канала (21) в связи с тем, что при прочих равных условиях путь L2, пройденный светом в призме 15 (фиг. 2), в несколько раз (например, в 5 раз) меньше пути L1, пройденного в призме 5.DC level
Figure 00000041
of the coarse channel is equal to or close to the level of the constant component of the fine (main) channel
Figure 00000042
And the level (amplitude) of the variable component of the coarse channel (23) is several times less than the amplitude of the exact channel (21) due to the fact that, other things being equal, the path L 2 traversed by light in the prism 15 (Fig. 2) is several times (for example, 5 times) less than the path L 1 traversed in prism 5.

Так, например, если при номинальном токе в сети iн угол поворота плоскости поляризации α1max в точном канале обычно находится в пределах от 5 до 10°, то в грубом канале - всего 1°-2°.So, for example, if at the rated current in the network i n the angle of rotation of the plane of polarization α 1max in the exact channel is usually in the range from 5 to 10 °, then in the coarse channel it is only 1 ° -2 °.

Следовательно, если произойдет бросок тока в сети, например, в результате короткого замыкания (iкз>10iн), то в точном канале произойдет нарушение принципа работы (α1max >> 45°), а в грубом канале α2max < 45° (α2max от 5° до 10°) и нарушения работы измерителя тока оптического не происходит.Therefore, if an inrush current occurs in the network, for example, as a result of a short circuit (i cc > 10i n ), then in the exact channel there will be a violation of the principle of operation (α 1max >> 45 °), and in the coarse channel α 2max <45 ° ( α 2max from 5 ° to 10 °) and the optical current meter does not malfunction.

Кроме того в предварительном усилителе 32 грубого канала происходит нарастание сигнала переменной составляющей до уровня срабатывания порогового устройства 34 триггерного типа, который усиливается усилителем 35 и подается релейной защите для отключения сети.In addition, in the preamplifier 32 of the coarse channel, the variable component signal rises to the level of the trigger-type threshold device 34, which is amplified by the amplifier 35 and supplied to the relay protection to disconnect the network.

Микропроцессор 28 запрограммирован так, что при угле α1max ≤ 30°, когда отношение переменной составляющей к постоянной составляющей

Figure 00000043
информация о измеренном токе i в высоковольтной сети поступает из первого (точного) канала, а с увеличением тока i информация о измеренном токе i поступает из дополнительного (грубого) канала.Microprocessor 28 is programmed so that at an angle α 1max ≤ 30 °, when the ratio of the variable component to the constant component
Figure 00000043
information about the measured current i in the high-voltage network comes from the first (exact) channel, and with increasing current i information about the measured current i comes from an additional (coarse) channel.

Так, например, если в качестве фрагмента проводника высоковольтной линии используется шина 10×100 мм2 в виде одного витка (фиг. 6), то при iн=3000А α1max=9° и Q=0,309, а при токе i ≈ 3iн ≈ 10000А α1max ≈ 30° и Q ≈ 0,87. To есть при превышении тока в сети более чем в 3 раза происходит автоматическое переключение каналов с первого на второй (грубый) и измерение тока продолжается без потери информации. Разумеется, при этом учитывается коэффициент

Figure 00000044
где L1 - путь, пройденный светом в призме 5 (фиг. 2), a L2 - путь, пройденный светом в призме 15.So, for example, if a 10 × 100 mm 2 bus in the form of one turn is used as a fragment of a high-voltage line conductor (Fig. 6), then at i n = 3000А α 1max = 9 ° and Q = 0.309, and at a current i ≈ 3i n ≈ 10000А α 1max ≈ 30 ° and Q ≈ 0.87. That is, when the current in the network is exceeded by more than 3 times, the channels are automatically switched from the first to the second (coarse) and the current measurement continues without loss of information. Of course, this takes into account the coefficient
Figure 00000044
where L 1 is the path traversed by the light in the prism 5 (Fig. 2), and L 2 is the path traversed by the light in the prism 15.

То же самое происходит и в том случае, когда в качестве фрагмента проводника используется шина 8×60 мм2 в виде двух витков (фиг. 8), когда iн=1200А. Так, при iн=1200А α1max=9° и Q=0,309, а при iн=4000А α1max=30° и Q=0,87. И в этом случае при превышении тока iн примерно в три раза (i ≈ 3,33⋅1200A ≈ 4000A) происходит автоматическое переключение каналов, а срабатывание релейной защиты еще не происходит. Срабатывание релейной защиты произойдет при достижении тока короткого замыкания.The same happens in the case when an 8 × 60 mm 2 bus in the form of two turns is used as a fragment of the conductor (Fig. 8), when i n = 1200A. So, at i n = 1200А α 1max = 9 ° and Q = 0.309, and at i n = 4000А α 1max = 30 ° and Q = 0.87. And in this case, when the current i n is exceeded by approximately three times (i ≈ 3.33⋅1200A ≈ 4000A), automatic channel switching occurs, and the relay protection does not operate yet. The relay protection will operate when the short-circuit current is reached.

Таким образом, добавление в известное устройство [8] дополнительного магниточувствительного элемента и организация второго дополнительного грубого канала позволяет производить измерение тока с высокой точностью в широком диапазоне измерения тока в высоковольтной сети и обеспечить гарантированное срабатывание релейной защиты только тогда, когда произойдет короткое замыкание (iкз>10iн).Thus, the addition of an additional magnetosensitive element to the known device [8] and the organization of a second additional coarse channel makes it possible to measure current with high accuracy in a wide range of current measurement in a high-voltage network and to ensure guaranteed operation of relay protection only when a short circuit occurs (i cc > 10i n ).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. ГОСТ 7746-2001 Трансформаторы тока. Общие технические условия.1. GOST 7746-2001 Current transformers. General technical conditions.

2. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976, с. 618-620.2. Landsberg G.S. Optics: 5th ed., Rev. and add. - M .: Nauka, 1976, p. 618-620.

3. Годжаев Н.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965, с. 301.3. Gojayev N.M. Optics. Textbook for universities. - M .: Mir, 1965, p. 301.

4. Шерклифф У. Поляризованный свет. - М.: Мир, 1965.4. Shercliff W. Polarized light. - M .: Mir, 1965.

5. Патент РФ №2321000, G01R 15/24.5. RF patent №2321000, G01R 15/24.

6. Губин В.П., Старостин Н.И., Пржиялковский Я.В. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока // Фотоника. - 2018. - т. 12, №7 (75).6. Gubin VP, Starostin NI, Przhiyalkovsky Ya.V. Fiber-optic transformers of electric current // Photonics. - 2018. - vol. 12, No. 7 (75).

7. Губин В.П. и др. Использование волоконных световодов типа spun в датчиках тока II квантовая электроника. - 2006. - т. 36. №3.7. Gubin V.P. et al. Use of spun-type optical fibers in current sensors II quantum electronics. - 2006. - v. 36. No. 3.

8. Патент РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24.8. RF patent (utility model) No. 171401, G01R 15/24.

Claims (2)

1. Измеритель тока оптический двухканальный, содержащий точный канал измерения тока, в котором установлены последовательно источник света, первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллимирующая линза, первый поляризатор, магниточувствительный элемент в виде стеклянной прямоугольной призмы высотой h1 с зеркальными покрытиями для обеспечения четырехкратного прохождения поляризованного света общего пути L1=4h1 и находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающую линзу, второй многомодовый волоконный световод, фотоприемник и электронный блок, содержащий предварительный усилитель, блок обработки сигнала, микропроцессор с индикатором результатов измерений и интерфейсом, отличающийся тем, что рядом с магниточувствительным элементом точного канала установлен дополнительный магниточувствительный элемент грубого канала тоже в виде стеклянной прямоугольной призмы, но без зеркальных покрытий, высотой h2<h1 с общей длиной пути света L2<L1, на первом основании которого наклеены первый дополнительный линейный поляризатор и покровная стеклянная плоскопараллельная пластинка, на втором полированном основании наклеены второй дополнительный линейный поляризатор и призма БР-180° так, что плоскость пропускания второго дополнительного поляризатора совпадает с главным сечением призмы БР-180° и составляет угол ±45° с плоскостью пропускания дополнительного первого поляризатора, а также во втором грубом канале установлены второй источник света, второй подающий свет на призму многомодовый волоконный световод, второй многомодовый световод, подающий свет на фотоприемник, второй предварительный усилитель и второй блок обработки сигналов, подсоединенный к микропроцессору.1. Two-channel optical current meter, containing an accurate current measurement channel, in which a light source, a first light-supplying multimode optical fiber, a collimating lens, a first polarizer, a magnetically sensitive element in the form of a glass rectangular prism of height h 1 with mirror coatings are installed in series to ensure fourfold transmission polarized light of the common path L 1 = 4h 1 and located in the longitudinal magnetic field of a fragment of a high-voltage line conductor, a second polarizer, the transmission plane of which makes an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer, a collecting lens, a second multimode optical fiber, a photodetector and an electronic unit, containing a preamplifier, a signal processing unit, a microprocessor with an indicator of measurement results and an interface, characterized in that an additional magnetosensitive element of the coarse channel is installed next to the magnetosensitive element of the precise channel also in the form of a rectangular glass prism, but without mirror coatings, with a height h 2 <h 1 with a total light path length L 2 <L 1 , on the first base of which the first additional linear polarizer and a cover glass plane-parallel plate are glued, on the second polished base a second an additional linear polarizer and a BR-180 ° prism so that the transmission plane of the second additional polarizer coincides with the main section of the BR-180 ° prism and makes an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the additional first polarizer, and a second light source is installed in the second coarse channel, a second multimode optical fiber supplying light to the prism; a second multimode optical fiber supplying light to a photodetector; a second preamplifier; and a second signal processing unit connected to the microprocessor. 2. Измеритель тока оптический двухканальный по п. 1, отличающийся тем, что с целью регулирования диапазона и точности измерения тока фрагмент проводника высоковольтной линии выполнен в виде соленоида из одного или двух полных витков широких шин с вырезами для формирования выводов.2. Two-channel optical current meter according to claim 1, characterized in that in order to regulate the range and accuracy of current measurement, a fragment of the high-voltage line conductor is made in the form of a solenoid of one or two full turns of wide tires with cutouts for forming the leads.
RU2020131880A 2020-09-25 2020-09-25 Optical dual-channel current meter RU2752341C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131880A RU2752341C1 (en) 2020-09-25 2020-09-25 Optical dual-channel current meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131880A RU2752341C1 (en) 2020-09-25 2020-09-25 Optical dual-channel current meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752341C1 true RU2752341C1 (en) 2021-07-26

Family

ID=76989483

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020131880A RU2752341C1 (en) 2020-09-25 2020-09-25 Optical dual-channel current meter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752341C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
EP0356670A1 (en) * 1988-08-31 1990-03-07 Asea Brown Boveri Ag Fibre-optical current sensor
US20110095750A1 (en) * 2009-10-28 2011-04-28 Joseph Yossi Harlev Method for measuring current in an electric power distribution system
RU2620927C1 (en) * 2016-02-05 2017-05-30 Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" Optical ac measuring device
RU171401U1 (en) * 2016-11-30 2017-05-30 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" OPTICAL AC METER IN HIGH VOLTAGE NETWORKS
RU2700288C1 (en) * 2019-03-12 2019-09-16 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" Universal optical current meter
RU2723238C1 (en) * 2019-09-30 2020-06-09 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" Faraday cell for current meters in high-voltage networks

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0356670A1 (en) * 1988-08-31 1990-03-07 Asea Brown Boveri Ag Fibre-optical current sensor
US20110095750A1 (en) * 2009-10-28 2011-04-28 Joseph Yossi Harlev Method for measuring current in an electric power distribution system
RU2620927C1 (en) * 2016-02-05 2017-05-30 Общество с ограниченной ответственностью "М12СИСТЕМС" Optical ac measuring device
RU171401U1 (en) * 2016-11-30 2017-05-30 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" OPTICAL AC METER IN HIGH VOLTAGE NETWORKS
RU2700288C1 (en) * 2019-03-12 2019-09-16 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" Universal optical current meter
RU2723238C1 (en) * 2019-09-30 2020-06-09 Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" Faraday cell for current meters in high-voltage networks

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786621C1 (en) * 2022-02-10 2022-12-22 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" Optical two-channel current meter for high-voltage networks
RU2819134C1 (en) * 2023-02-13 2024-05-14 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" Optical multichannel current meter for high-voltage networks

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rogers Optical fiber current measurement
Kurosawa Development of fiber-optic current sensing technique and its applications in electric power systems
RU2700288C1 (en) Universal optical current meter
JP2818301B2 (en) Method and apparatus for measuring current with two opposite optical signals utilizing Faraday effect
Wunsch et al. Kerr cell measuring system for high voltage pulses
RU2620927C1 (en) Optical ac measuring device
Bull et al. A new hybrid current sensor for high-voltage applications
RU2720187C1 (en) Ac and dc optical laboratory meter
RU2752341C1 (en) Optical dual-channel current meter
Yi et al. New design of optical electric-current sensor for sensitivity improvement
RU2627987C1 (en) Optical ac voltage meter in high-voltage networks
CA2021712C (en) Optical current transformer
RU2682133C1 (en) Optical universal current meter
Nedoma et al. Measurement of electric current using optical fibers: A Review
RU2663545C1 (en) Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks
Nascimento et al. Novel optical current sensor for metering and protection in high power applications
RU2767166C1 (en) Optical interference current meter
Ye et al. Application research on fiber-optic current sensor in large pulse current measurement
RU2723238C1 (en) Faraday cell for current meters in high-voltage networks
KR100662744B1 (en) Bulk type optical current/potential sensor
RU2819134C1 (en) Optical multichannel current meter for high-voltage networks
Ning et al. A Faraday current sensor using a novel multi-optical-loop sensing element
Nai et al. A special spun birefringent fiber optic current sensor
Ghosh et al. Development of a fiber-optic current sensor with range-changing facility using shunt configuration
Mali et al. Design methodologies for measurement of KA DC current: A review