ITMI20131668A1 - High voltage fiber optic sensor for the measurement of an alternating electric field - Google Patents

Description

Sensore a fibra ottica per alte tensioni per la misura di campi elettrici alternati

Campo di applicazione

La presente invenzione ? relativa ad un metodo per misurare un campo elettrico alternato e la relativa tensione, adoperando una fibra ottica a base di silicio comprendente un reticolo di diffrazione.

Stato dell'arte

Dispositivi in media ed alta tensione, quali parti di macchine elettriche, cavi, convertitori di potenza, interruttori, necessitano di apposite sonde per la misura delle loro tensioni. Medie tensioni nell'intervallo lkV-30kV possono essere misurate mediante partitori di tensione costruiti secondo tecniche gi? note. Questa soluzione nota presenta tre principali svantaggi: 1) dal momento che i campi elettrici sono elevati rispetto alla rigidit? dielettrica del mezzo in alcune parti del dispositivo, queste sonde non possono essere usate, specialmente in ambienti difficili, a meno che non vengano messe in atto costose precauzioni; 2) l'isolamento dei partitori di tensione aumenta il volume dei sensori. Ci? ? particolarmente vero nel caso delle connessioni frontali nelle testate delle macchine elettriche; 3) dal momento che i sistemi di misura operano a tensioni molto inferiori rispetto alle medie e alte tensioni da misurare, l'uso dei sistemi di misura pone seri rischi sia dal punto di vista del generatore che dal lato della strumentazione.

Nel caso di macchine elettriche in media tensione, la misura della tensione sul rivestimento esterno all'isolamento ? particolarmente critica.

Gli avvolgimenti delle macchine elettriche sono realizzati con avvolgimenti isolati, in filo, barra o piattine. Nei grandi generatori, le matasse sono di solito realizzate con rame o barre di alluminio, isolate esternamente in modi diversi. Generalmente, l'isolamento consiste in nastri di fibra di vetro impregnati con resine e rivestite in diversi modi. Due principali regioni possono essere identificate in una matassa di una macchina elettrica: le parti attive e le connessioni frontali (o testate degli avvolgimenti). I conduttori attivi sono rettilinei e collocati all'interno delle cave. Nei generatori in media e alta tensione, la superficie esterna dell'isolamento dei conduttori attivi ? rivestita da uno strato conduttivo, finalizzato al collegamento alla tensione di terra della parte esterna dell'isolante. Le connessioni tra i lati attivi costituiscono le connessioni frontali. Il potenziale della superficie esterna delle connessioni frontali aumenta da zero alla fine della cava fino alla tensione nominale della macchina. Le macchine elettriche che operano in media e alta tensione sono soggette al deterioramento dell'isolamento delle loro connessioni frontali. Il deterioramento ? nella maggior parte dei casi causato dalle scariche superficiali che sono dovute ad una insoddisfacente distribuzione del potenziale dell'isolante. Rivestimenti semiconduttivi anti-corona sono spesso adoperati sulla superficie esterna delle connessioni frontali al fine di graduare, cio? ridurre la pendenza della distribuzione del potenziale. Tuttavia, occasionalmente si verificano dei danneggiamenti. Questi danneggiamenti causano rotture distruttive specialmente nei generatori sincroni in media tensione. Le misure della graduazione del potenziale sulla superficie del rivestimento anti corona delle connessioni frontali pu? consentire di prevenire questo problema consentendo il monitoraggio on-line della graduazione del potenziale.

Inoltre, anche in alcune parti dei circuiti in bassa tensione, i livelli di campo elettrico possono essere elevati, scoraggiando l'uso di sonde con cablaggi elettrici.

L'uso delle fibre ottiche per la misura della temperatura, dell'induzione magnetica e delle deformazioni ? noto.

Il brevetto US 2008/085080 illustra una fibra ottica adoperata come sensore per la misura di un parametro di interesse come la temperatura, la deformazione, l'intensit? di energia fotonica, l'intensit? del campo elettrico e l'intensit? del campo magnetico.

Il nucleo in fibra ottica include uno o pi? reticoli ottici. Il reticolo ottico modifica il percorso di propagazione di lunghezze d'onda selezionate della luce che si propaga attraverso il nucleo e agisce come un filtro spettrale nell'intorno di una lunghezza d'onda centrale o 'di selezione'. Le lunghezze d'onda selezionate della luce sono determinate in parte dall'indice di rifrazione del materiale del nucleo ma anche in dipendenza di un parametro di interesse applicato al nucleo del materiale e variati dal reticolo ottico. Uno o pi? rivelatori sono adoperati per determinare le propriet? della luce riflessa e/o trasmessa. Dalla conoscenza delle propriet? della luce riflessa e/o trasmessa, pu? essere determinato un parametro di interesse.

WO 2011/025573 descrive un sistema basato su un sensore a fibra ottica che impiega almeno una sorgente di luce che opera per generare luce avente una o pi? lunghezze d'onda desiderate. Un primo sensore basato su fibra ottica trasparente ad una lunghezza d'onda desiderata ? sensibile ad un campo magnetico emesso da un conduttore elettrico predeterminato o ad una corrente che fluisce nel conduttore elettrico. Un sensore di temperatura che pu? essere un altro sensore basato su fibra ottica rivela una temperatura di funzionamento associata al primo sensore in fibra ottica in risposta alla luce generata dalla sorgente luminosa. L'elettronica di condizionamento del segnale adatta la misura della corrente al fine di compensare sostanzialmente gli errori introdotti dalla temperatura associati alla misura della corrente in risposta alla temperatura operativa misurata del sensore in fibra ottica.

US 2013/027030 mostra un sensore di induzione magnetica per misurare la componente radiale dell'induzione magnetica incidente su una barra di statore di un generatore ad alta tensione. Il sensore di induzione magnetica include un reticolo di Bragg formato in una fibra ottica e rinchiuso in un rivestimento magnetostrittivo. Il rivestimento magnetostrittivo risponde alle variazioni dell'induzione magnetica mediante l'applicazione di una sollecitazione sulla fibra che cambia la lunghezza d'onda riflessa del reticolo di Bragg che pu? essere misurata al fine di fornire una misura del flusso, In una variante costruttiva, uno o pi? sensori di induzione magnetica sono collocati direttamente all'interno di uno strato isolante della barra di statore.

Riassunto dell'invenzione

Come mostrato dallo stato dell'arte, ? noto l'uso delle fibre ottiche come sensori, in particolare accoppiate ad elementi addizionali come quarzi o altri materiali piezoelettrici o magnetostrittivi depositati o attaccati alla superficie esterna della fibra. Inoltre, sono anche noti i reticoli, che vengono realizzati all'interno della fibra.

Nella letteratura tecnica ? stato proposto di impiegare reticoli di Bragg in fibra (FBG) come sensori per la misura delle deformazioni, delle vibrazioni e della temperatura per diverse applicazioni. I sensori FBG misurano le deformazioni meccaniche di una fibra nella posizione del reticolo. Queste deformazioni alterano lievemente sia le distanze delle linee di riflessione del reticolo del FBG che l'indice di rifrazione del reticolo, modificando le sue propriet? di riflessione. Un segnale ? trasmesso attraverso la fibra ottica verso il sensore FBG. Il grado di deformazione della fibra viene misurato dallo shift in frequenza della lunghezza d'onda della radiazione riflessa dall'FBG. La lunghezza d'onda della luce riflessa cresce proporzionalmente alla deformazione che interessa le linee del reticolo di Bragg. Ad esempio, per una misura di deformazione con un sensore FBG, il sensore viene meccanicamente sollecitato piegando la struttura in corrispondenza delle posizioni di attacco dei sensori FBG. Per un sensore FBG per la misura di vibrazioni, una massa attaccata alla fibra ottica altera lo stato tensionale nella fibra ottica, rispondendo alle vibrazioni nel punto di attacco. Per un sensore FBG per la misura di temperatura, l'espansione termica del reticolo di Bragg di per s? cambia la distanza delle linee del reticolo di Bragg, cos? come l'indice rifrattivo.

In tutti i documenti dello stato dell'arte, le fibre hanno tipicamente strutture molto complesse, come quelle che sono costituite da molti nuclei che sono spesso ricoperti da speciali rivestimenti. Inoltre, la propriet? della fibra, la quale ? sensibile sia alla temperatura che alle vibrazioni, rende la fibra inadatta alle misure di campi elettrici e tensioni per il fatto che la temperatura e/o le vibrazioni possono essere differenti in differenti posizioni del campione su cui il campo elettrico o la tensione debbano essere misurati.

Uno degli obiettivi della presente invenzione ? quello di realizzare un sensore per misurare il campo elettrico alternato e/o la tensione che sia di semplice costruzione e non richieda la costruzione di speciali fibre ottiche. Anche questo consente di disporre di un sensore in fibra di costo ridotto, semplice e compatto, allo stesso tempo consentendo di adattarlo ad ogni superficie, materiale o struttura da monitorare.

Inoltre, il metodo consente di misurare campi elettrici e/o tensioni elettriche in un certo numero di punti, in cui sono disposti i reticoli di Bragg.

Pi? in dettaglio, i Richiedenti hanno verificato che una fibra ottica convenzionale per telecomunicazioni, per esempio una fibra ottica a base silice, pu? essere adoperata per misurare tensioni alternate di frequenza compresa nell'intervallo da 10Hz fino alla met? della frequenza di taglio del foto-rivelatore (fino a 1GHz), e pertanto in linea di principio, convenientemente nell'intervallo 10-500MHz.

In questa fibra sono prodotti uno o pi? sensori 'puntiformi', ciascuno includente un reticolo riflettivo. La fibra impiegata nell'invenzione non richiede trasduttori esterni o materiali di rivestimento: una fibra di silice standard pu? essere adoperata senza pretrattamento e almeno un sensore costituito da un reticolo di diffrazione viene scritto nel suo nucleo.

Come gi? menzionato, ogni reticolo ha una lunghezza d'onda di picco caratteristica, per esempio ciascun reticolo riflette una specifica lunghezza d'onda che ? conosciuta con il nome di lunghezza d'onda di Bragg. Questa lunghezza d'onda varia con gli eventi e le condizioni a cui la fibra ottica sia esposta.

Una delle limitazioni pi? significative degli FBG ? la loro sensibilit? duale alla deformazione e alla temperatura, le quali possono influenzare la misura mediante fibra ottica di altre quantit?.

I richiedenti hanno tuttavia notato che nel caso di misura di tensioni alternate la traslazione nella lunghezza d'onda di diffrazione dei reticoli dovuti alla variazione di temperatura non influenza la misura del campo elettrico a causa del fatto che detta variazione della temperatura ? non periodica oppure molto pi? lenta delle frequenze contenute nella quantit? misurata. Altre deformazioni con frequenze differenti dal campo elettrico misurato possono essere eliminate mediante filtraggio.

Nel caso della misura di campi elettrici a bassa frequenza, come nel caso delle connessioni frontali dei grandi turbo generatori, il rumore meccanico ambientale non influisce sulle prestazioni della misura dal momento che le sue componenti di frequenza tipiche, in confronto alla frequenza del campo elettrico, giacciono all'interno del campo acustico. Nel caso di macchine e componenti elettrici a 50Hz, la sollecitazione meccanica ? tipicamente contenuta in un intorno di 100Hz e i suoi effetti sulla prestazione della misura possono essere eliminati mediante filtraggio.

I principi fisici su cui si basa la presente invenzione sono gli effetti elettrostrittivi e piezoelettrici. L'elettrostrizione ? una propriet? di tutti i materiali dielettrici, ed ? dovuta alla presenza di domini con allineamento random nel materiale. Quando un campo elettrico ? applicato, i lati opposti dei domini si caricano in modo opposto e si attraggono, riducendo lo spessore del materiale nella direzione del campo applicato (e aumentando lo spessore nelle direzioni ortogonali caratterizzate dal rapporto di Poisson). La deformazione risultante (deformazione di lunghezza frazionaria o fractional length deformation) ? proporzionale al quadrato della polarizzazione macroscopica. L'inversione del campo elettrico non inverte la direzione della deformazione. L'effetto piezoelettrico relativo si verifica soltanto in una classe particolare di dielettrici. L'elettrostrizione si applica a tutte le simmetr?e cristalline, mentre l'effetto piezoelettrico si applica soltanto a pochi casi. L'elettrostrizione ? un effetto quadratico, diversamente dalla piezoelettricit?, che ? un effetto lineare. I richiedenti hanno scoperto che, quando sottoposta ad una tensione alternata, la fibra a base silice mostra una risposta elettromeccanica misurabile. Questo si riflette in una deformazione della fibra che pu? essere efficientemente rilevata dall'FBG nel punto di applicazione. Questa traslazione non ? coperta dal rumore causato dalla temperatura o dalla deformazione.

Il metodo include la misura della componente del campo elettrico lungo la direzione in cui la fibra ottica ? disposta.

L'invenzione misura la componente del campo elettrico nella direzione della fibra ottica. Usando un certo numero di strutture interferometriche nella fibra ottica, la componente del campo elettrico E nella direzione della fibra ottica pu? essere misurata nei punti in cui le strutture interferometriche sono disposte.

Secondo un primo aspetto, l'invenzione si riferisce ad un metodo per misurare un campo elettrico alternato avente un campo di frequenza di 10 Hz-500 MHz, in cui detto metodo include:

? realizzare un primo reticolo di diffrazione in una prima posizione in un nucleo di una fibra ottica a base silice priva di rivestimento;

? misurare il picco della lunghezza d'onda riflessa di detto reticolo di diffrazione;

? collocare detta fibra ottica lungo una direzione avente una componente non zero di un campo elettrico generato da una tensione alternata da misurare;

? accoppiare una luce sostanzialmente monocromatica a detta fibra ottica immersa nel detto campo elettrico;

? misurare un parametro dipendente dalla traslazione del detto picco della lunghezza d'onda riflessa dovuta alla deformazione meccanica o alla modifica, causata dal campo elettrico, dell'indice di rifrazione del materiale a base silice in cui detta fibra ottica ? realizzata;

? ricavare un valore del campo elettrico che causa tale deformazione misurata o cambiamento dell'indice di rifrazione.

La deformazione indotta dal campo elettrico e/o la modifica dell'indice di rifrazione produce una traslazione della lunghezza d'onda del picco dell'FBG. Questa traslazione, se risulta da un campo AC, pu? essere facilmente misurata sia monitorando la potenza riflessa dall'FBG dal lato della sua risposta spettrale oppure bloccando la frequenza del laser sul suo picco centrale (il segnale di feedback usato per bloccare la frequenza potrebbe, in questo caso, fornire direttamente la misura dell'ampiezza del campo).

Pertanto, la deformazione meccanica del materiale della fibra stessa, cio? del materiale a base silice, ? usata per ottenere una traslazione del picco di Bragg, che ? una funzione del campo elettrico applicato.

Una misura del campo elettrico pu? essere pertanto ottenuta usando una fibra di silicio standard, come una fibra per telecomunicazioni, senza adoperare apparati speciali o complicati.

Il metodo ? adatto per la misura di campi elettrici in ambienti ostili, come nei generatori elettrici e nei componenti ad alta tensione.

Generalmente, le tensioni che possono essere misurate dall'invenzione sono nell'intervallo 100 V-500 kV. Tuttavia possono essere anche effettuate misure in bassa tensione. La misura di tensione viene ricavata dalle misure del campo elettrico mediante integrazione di quest'ultimo in diverse posizioni.

Il campo delle misure ? in verit? pi? esteso di quello indicato, dal momento che l'invenzione misura direttamente il campo elettrico ed ? limitato dalla tensione di scarica del mezzo. Un dispositivo costruito con il metodo proposto ? stato testato con campi elettrici fino a 33 kV/cm, che ? la rigidit? dielettrica dell'aria secca a temperatura e pressione standard.

Preferibilmente, detta fibra ottica ? una fibra ottica single-mode.

Al fine di misurare la gradazione del potenziale in un certo numero di punti assegnati, per esempio lungo le connessioni frontali degli avvolgimenti di macchine elettriche, preferibilmente il metodo dell'invenzione include:

? realizzare un secondo reticolo di diffrazione o in una seconda posizione, separata da una assegnata distanza longitudinale da detta prima posizione, di detta guida d'onda basata su silicio, oppure in una posizione su una seconda guida d'onda;

? calcolare un valore di una tensione alternata che genera detto campo elettrico dalle misure simultanee del campo elettrico dell'almeno primo e del secondo reticolo di diffrazione.

Al fine di ottenere, a partire dalle misure di campo elettrico, la misura della tensione, almeno due sensori diffrattivi devono essere presenti secondo una variante costruttiva preferita, in modo che possa essere effettuata l'integrazione numerica della componente del campo elettrico lungo la direzione della fibra. Due varianti costruttive sono state sviluppate dai Richiedenti: la stessa fibra pu? includere pi? di un reticolo di diffrazione in diverse posizioni, oppure pu? essere presente pi? di una fibra, ciascuna fibra includente un solo reticolo di diffrazione realizzato nel suo nucleo.

L'uso di una sola fibra avente pi? reticoli riduce il costo, sebbene non consenta di effettuare misurazioni contemporanee del campo elettrico in tutti i punti sensibili, dal momento che le strutture interferometriche devono essere interrogate serialmente. La seconda variante consente di misurare il campo elettrico in tutti i punti sensibili allo stesso tempo, ma richiede l'utilizzo di pi? fibre ottiche.

In quest'ultima variante costruttiva, preferibilmente la fase di realizzare il primo e il secondo reticolo di diffrazione include la realizzazione del primo e del secondo reticolo di Bragg su un nucleo della stessa fibra ottica.

Alternativamente, la fase di realizzare il primo e/o il secondo reticolo di diffrazione include la realizzazione del primo e del secondo reticolo di diffrazione su un nucleo di una prima e di una seconda fibra ottica, dette fibre ottiche essendo disposte lungo la stessa direzione all'interno del detto campo elettrico.

In una variante costruttiva preferita, la fase di mandare in ingresso una luce sostanzialmente monocromatica include la fase di inviare in ingresso una luce laser in detta fibra ottica, detto laser includente uno solo tra laser a banda larga, laser a lunghezza d'onda regolabile, e laser a lunghezza d'onda fissa.

Preferibilmente, una sorgente laser ? adoperata come sorgente di luce da immettere nella fibra, in modo da misurare il picco di diffrazione dei reticoli e la sua traslazione causata dalle deformazioni meccaniche e dalle modifiche dell'indice di rifrazione causate dal campo elettrico.

Vantaggiosamente, lo step di realizzare un primo e un secondo reticolo di diffrazione include la realizzazione di un reticolo di Bragg, un reticolo apodizzato, un reticolo bruciato ("blazed") un reticolo chirped o un reticolo a modulazione di ampiezza.

Inoltre, pu? essere immaginato pi? di un reticolo nella stessa posizione della fibra ottica. Per esempio, possono essere realizzati nella fibra ottica risonatori ottici in miniatura formati da coppie di FBG o dispositivi di tipo 'photonic bandgap' all'interno della struttura del reticolo (per esempio, reticoli phase-shifted).

Vantaggiosamente, misurare la traslazione di tale lunghezza d'onda diffratta include:

? ricevere una luce diffratta da detto reticolo di diffrazione in un foto-rivelatore.

Al fine di rilevare la luce diffratta, preferibilmente pu? essere impiegato un foto-rivelatore.

Preferibilmente, la fase di misurare un parametro include misurare un parametro dipendente dalla traslazione di detta lunghezza d'onda di diffrazione, detta traslazione essendo dovuta all'effetto piezoelettrico contrario del materiale in cui la fibra ottica ? realizzata.

I richiedenti hanno osservato che la traslazione del picco di Bragg ? dipendente linearmente dalla intensit? del campo elettrico, suggerendo cos? un effetto piezoelettrico che abbia luogo all'interno della fibra. Anche, ? stato provato sperimentalmente che questo metodo ? insensibile alle componenti di campo ortogonali alla fibra ottica.

In una variante costruttiva preferita, il posizionamento di detta fibra ottica include il posizionamento di detta fibra sulla matassa di un generatore.

In questa variante, il metodo include il posizionamento di detta fibra sulla superficie della connessione frontale di detta matassa.

Come menzionato, questo metodo ? particolarmente adatto alla realizzazione di misure di tensione e di campo elettrico in ambienti ostili, come quello di un generatore. In particolare, la fibra pu? essere a diretto contatto con la superficie della matassa, sulla quale per esempio un rivestimento anti-corona pu? essere presente. I punti di misura sono pertanto disposti in posizioni fisse, per esempio lungo le connessioni frontali degli avvolgimenti.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori vantaggi dell'invenzione saranno meglio illustrati con una descrizione dettagliata, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

? FIG.l ? una vista schematica del setup sperimentale che realizza il metodo dell'invenzione;

? FIGG. 2a-2D sono disegni schematici che illustrano possibili applicazioni del sensore dell'invenzione;

? FIGG. 3 e 4 sono due diagrammi del Bragg shift del metodo dell'invenzione;

? FIG. 5 ? un diagramma ottenuto nella fase di calibrazione del metodo dell'invenzione;

? FIG.6 ? una vista schematica di un setup sperimentale.

In riferimento alla FIG.l, con 100 ? rivelato uno schema di apparato ottico per la misura di un campo elettrico alternativo.

L'apparato di interrogazione 100 per la misura di modifiche differenziali elettrostrittivepiezoelettriche indotte elettricamente in un reticolo di Bragg immerso in un campo elettrico alternato include una fibra ottica 2, che ? preferibilmente una fibra ottica standard per telecomunicazioni, preferibilmente di tipo single-mode, in cui il reticolo di Bragg (FBG) 1 ? formato. La fibra 2 non ha alcun rivestimento.

L'apparato 100 include inoltre un fotodiodo 4, come per esempio un fotodiodo InGaAs, e una sorgente laser 5, preferibilmente di tipo fiber-pigtailed. Il picco della lunghezza d'onda FBG ? preferibilmente centrato all'interno del campo di emissione di lunghezze d'onda del laser. Un alimentatore di corrente programmabile/calibrabile 8 ? preferibilmente usato per alimentare la sorgente laser 5 e per adattare la frequenza della radiazione elettromagnetica in uscita dalla sorgente laser. Un dispositivo per il controllo della temperatura 7 (per esempio comprendente una cella di Peltier 6) ? preferibilmente adoperato per mantenere la lunghezza d'onda del laser stabile e applicare grandi escursioni della lunghezza d'onda quando necessario. Inoltre, in una variante costruttiva preferita, l'apparato 100 include un circolatore/splitter in fibra 3.

Le fibre ottiche 2 adottate per il setup preferibilmente, come menzionato, sono tutte fibre ottiche single-mode. Lo standard pi? conosciuto, che ? commercialmente disponibile ? l'SMF-28 costruito da Corrning, tuttavia altre aziende producono fibre simili. Le fibre sono cilindri pieni realizzati con materiale siliceo solido. Il diametro esterno ? ad esempio 125 micrometri (cladding), il diametro del nucleo ? 9 micrometri, ma le due parti hanno indici rifrattivi lievemente diversi al fine di assicurare la propagazione guidata della luce all'interno della fibra. La perdita di trasmissione tipica di tali fibre nella finestra spettrale di telecomunicazioni (1.4-1.6 micrometri) ? <0.4 dB/km.

L'FBG 1 ? fabbricato ad esempio tramite incisione a laser UV mediante un setup interferometrico. Questo ? uno schema ben noto che consente di incidere reticoli con profondit? di modulazione dell'indice di rifrazione fino a 10<-6>-10<-5>. Il valore maggiore ? tipico per picchi della riflettivit? FBG dell'ordine di 50%-90%, che ? sufficiente allo scopo della presente applicazione.

Gli FBG 1 possono avere una lunghezza nel campo tra 1 cm e diversi cm. Nessuna esigenza particolare ? considerata per la rilevazione della tensione, sebbene un reticolo fisico lungo fornisce una caratteristica spettrale pi? stretta a pertanto una pendenza 'laterale' maggiore (cio? la sensibilit? con cui il reticolo risponde a traslazioni di lunghezza d'onda causati dal campo elettrico applicato). Infine, la scelta della lunghezza d'onda di Bragg ? imposta soltanto dalla lunghezza d'onda del laser disponibile 5 per l'interrogazione. Una possibile scelta del laser ? ad esempio un laser a diodo DFB, che possiede un'elevata qualit? nel campo delle telecomunicazioni in termini di intensit? di rumore, consumo di potenza, dimensioni, costo, manutenzione e semplicit? d'uso. Una possibile lunghezza d'onda laser e lunghezza d'onda dell'FBG ? per esempio di 1542 nm.

L'invenzione ? stata testata in un setup sperimentale di laboratorio illustrato schematicamente in FIG.6.

Il setup ? composto da un trasformatore monofase a 50Hz 20 che eleva la tensione fino ad un massimo di 15 kV. Un autotrasformatore esterno (non mostrato) ? adoperato per variare la tensione primaria del trasformatore 20. Il secondario del trasformatore ? collegato a due piastre di rame 21 con spigoli arrotondati. Le superfici delle piastre di rame 21 sono parallele per generare un volume tra di esse in cui il campo elettrico sia costante. Se la distanza delle piastre di rame 21 ? di lem, il massimo campo elettrico generato ? di 15 kV/cm. Le piastre di rame possono essere spostate per aumentare ulteriormente il valore del campo elettrico. Un partitore di tensione di precisione ? usato per trasformare la tensione secondaria del trasformatore in una bassa tensione in modo tale che un voltmetro o un oscilloscopio possa essere usato per misurarne il valore, in modo che il campo elettrico tra le piastre 21 possa essere misurato. Una fibra ottica 2 includente l'FBG 1 pu? essere immersa nel campo elettrico sia nella direzione ortogonale alle piastre 21 (e pertanto parallela al campo) oppure parallela alle piastre (pertanto ortogonale al campo). La fibra 2 pu? anche formare un angolo con le piastre.

Il setup pu? testare una sola struttura a fibra ottica per volta. La fibra ottica 2 comprendente l'FBG 1 ? immersa nel campo elettrico generato dalle due piastre di rame 21 attraverso i tubicini di rame su entrambi i lati del dispositivo di prova e la sua luce riflessa, inviata all'FBG dalla sorgente laser 5 ? raccolta da un circolatore/splitter 3 che ? collegato al fotodiodo 4. Un oscilloscopio o computer 10 monitorizza il segnale di tensione prodotto all'uscita del fotodiodo 4 per misurare la potenza della luce riflessa in reai time. Alternativamente, un ADC un computer 10 pu? essere impiegato allo stesso scopo senza necessit? di un oscilloscopio. Partendo da questo presupposto, se un campo elettrico non zero ? applicato all'FBG 1 mediante l'applicazione di una tensione di l-20kV 50Hz alle due piastre di rame 21, il picco centrale dell'FBG subisce una traslazione periodica (con modulazione a 50Hz) dovuta a una intrinseco effetto elettrostrittivo/piezoelettrico del materiale siliceo. Se il laser ? preliminarmente calibrato lungo il lato blu/rosso della risposta spettrale FBG, cio? al punto medio di riflessione della curva di Bragg, la luce riflessa esibisce di conseguenza un cambiamento periodico della potenza. Questa modulazione sinusoidale ? misurata all'uscita del fotodiodo 4. L'ampiezza di tale modulazione ? proporzionale al campo elettrico applicato tra le piastre di rame 21 e alla pendenza della curva di riflettivit? FBG intorno al punto medio di riflessione (dipendente dai suoi parametri specifici). Una calibrazione pu? essere effettuata per fornire una misura diretta del campo elettrico. Vale la pena di notare che ogni traslazione dovuta ad altri effetti (indesiderati), come la variazione di temperatura o la deformazione meccanica agente sulla fibra 2, conducono soltanto ad un offset costante della lunghezza d'onda di Bragg ma non influiscono sulla misura effettuata alla frequenza di 50Hz. Inoltre, inviando un semplice sweep lineare in corrente al laser (cio? aggiungendo una tensione triangolare al driver del laser), il punto medio di riflessione (mid-reflection point) pu? essere sempre trovato in tempi di osservazioni brevissimi, dal momento che corrisponde al massimo valore picco-picco del segnale sinusoidale del fotodiodo.

Misure

Il setup descritto sopra, illustrato nella figura 6 ? stato usato per verificare la prestazione del sensore. Diverse tensioni nel range 1 kV-14 kV sono state applicate alle piastre 21 a 50Hz. Le misure sono state ripetute con due valori della distanza d tra le piastre 21. La FIG. 3 mostra il risultato di una misura di campo a 50Hz, 14kV quando la distanza d tra gli elettrodi 21 ? di 1.2 cm. La tensione in uscita del fotodiodo 4 ? mostrata nella figura in relazione al tempo: l'asse y ? il la tensione di uscita del fotodiodo. Il campo elettrico ? 1,166,667 V/m nel caso della FIG.3.

Come esempio aggiuntivo, la FIG.4 mostra la misura a 1 kV 175438 V/m con una distanza d=0.57 cm in presenza di vibrazioni.

FIG.5 confronta le misure a diverse tensioni. Tutte le misure sono state effettuate a 50Hz. La distanza delle piastre ? di 1.2 cm per la curva pi? bassa e di 0.57cm per quella pi? alta. L'asse y ? il valore efficace tensione rms di uscita del fotodiodo.

I valori delle due curve sono apparentemente differenti, dal momento che due diversi setup sperimentali sono stati adoperati per effettuare le misure. L'interpolazione dei punti sperimentali ? in entrambi i casi lineare.

La deviazione dei punti dalla curva interpolata dipende dal fatto che il sensore ? sensibile alle vibrazioni (vedere la differenza tra le curve delle FIGG. 3 e 4).

FIG 2a-2d mostrano possibili varianti di un generatore in cui la misura pu? essere effettuata col metodo dell'invenzione.

FIG 2d ? una vista semplificata di una matassa C di una macchina elettrica. La matassa ? realizzata con conduttori di rame avvolti connessi in serie o in parallelo. I conduttori sono isolati tra loro e verso le altre parti della macchina. I lati rettilinei paralleli visibili nella figura sono i lati attivi di matassa. I lati attivi di matassa possono essere inseriti nelle cave. Le parti rimanenti, chiamate connessioni frontali o testate degli avvolgimenti, sporgono dal nucleo della macchina. Nelle grandi macchine in media tensione, l'isolamento dei lati attivi pu? essere ricoperto con un rivestimento conduttivo. Le connessioni frontali possono essere ricoperte con un rivestimento semiconduttivo disposto al di sopra dell'isolamento.

FIG.2a mostra una variante dell'invenzione. E' una vista laterale semplificata di una macchina elettrica con una sola matassa visibile. Una porzione del nucleo della macchina, includente il rotore e lo statore ? il rettangolo grigio R. La fibra ottica 2 ? disposta sopra una delle connessioni frontali. I punti rappresentano i reticoli in fibra 1. Le uscite dei sensori non possono essere misurate simultaneamente. I reticoli 1 sono differenti per consentire l'interrogazione dei sensori con diverse frequenze di luce. Siccome le frequenze devono essere sia sufficientemente distanti compatibilmente con l'accuratezza della strumentazione sia contenute in un range di frequenza, il numero dei punti ? limitato.

FIG.2b rappresenta una diversa variante dell'invenzione che consente l'interrogazione simultanea dei sensori 1. Una pluralit? di fibre ottiche 2 ? presente, ogni fibra ottica avendo un solo sensore. I sensori possono essere interrogati simultaneamente, e non c'? limitazione al numero dei sensori.

FIG.2c ? una variante addizionale dell'invenzione. Una fibra ottica 2 ? equipaggiata con un solo sensore 1 e un sistema ruota-rotaia W consente il posizionamento del sensore in punti diversi delle connessioni frontali.

Claims (12)

1. Rivendicazioni 1. Metodo per misurare un campo elettrico alternato avente un range di frequenza tra 10 Hz e 500MHz, detto metodo include: Realizzare un primo reticolo di diffrazione (1) in una prima posizione, in un nucleo di una fibra ottica a base silice (2) priva di qualunque rivestimento; misurare il picco della lunghezza d'onda riflessa di detto reticolo di diffrazione; posizionare detta fibra ottica (2) lungo una direzione avente una componente nonzero di un campo elettrico generato da una tensione alternata da misurare; accoppiare una luce sostanzialmente monocromatica a detta fibra ottica (2) immersa in detto campo elettrico; Misurare un parametro dipendente dalla traslazione della lunghezza d'onda di riflessione di detto picco dovuta alla deformazione meccanica o al cambiamento di indice rifrattivo del materiale in cui detta fibra ottica (2) ? realizzata, a causa del campo elettrico; Calcolare un valore del campo elettrico che causa tale deformazione misurata o cambiamento di indice di rifrazione.
2. 2. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo la rivendicazione 1, includente: Realizzare un secondo reticolo di diffrazione o in una seconda posizione, separata da una data distanza longitudinale da detta prima posizione, di detta fibra ottica (2) oppure in una posizione su una seconda fibra ottica a base silice; Derivare un valore della tensione alternata generante detto campo elettrico dalle misure simultanee di campo elettrico di almeno il primo e il secondo reticolo di diffrazione.
3. 3. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui la fase di realizzazione del primo e del secondo reticolo di diffrazione include realizzare il primo e il secondo reticolo di Bragg su un nucleo della stessa fibra ottica (2).
4. 4. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo la rivendicazione 2, in cui la fase di realizzazione del primo e/o del secondo reticolo di diffrazione include realizzare il primo e il secondo reticolo di diffrazione su un nucleo di una prima e di una seconda fibra ottica, dette fibre ottiche essendo posizionate lungo la stessa direzione all'interno di detto campo elettrico.
5. 5. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, includente misurare la componente del campo elettrico lungo la direzione in cui la fibra ottica ? posizionata.
6. 6. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui detta fibra ottica ? una fibra ottica single-mode.
7. 7. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di mandare in ingresso una luce sostanzialmente monocromatica include la fase di mandare in ingresso una luce laser in detta fibra ottica (2), detto laser (5) includente uno solo tra laser a banda larga, laser a lunghezza d'onda regolabile, e laser a lunghezza d'onda fissa.
8. 8. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di realizzare un primo e un secondo reticolo di diffrazione include realizzare un reticolo di Bragg, un reticolo apodizzato, un reticolo bruciato, o un reticolo modulato in ampiezza.
9. 9. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui misurare la traslazione di detta lunghezza d'onda del picco di riflessione include: Ricevere una luce diffratta da detto reticolo di diffrazione (1) in un foto-rivelatore (4).
10. 10. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di misurare un parametro include misurare un parametro dipendente dalla traslazione di detta lunghezza d'onda del picco di riflessione dovuta all'effetto piezoelettrico contrario del materiale in cui la fibra ottica ? realizzata.
11. 11. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui il posizionamento di detta fibra ottica (2) include il posizionamento di detta fibra sulla matassa di un generatore.
12. 12. Metodo per misurare un campo elettrico alternato secondo la rivendicazione 11, includente il posizionamento di detta fibra sulla superficie delle connessioni frontali di detta matassa.