RS51552B - Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja - Google Patents

Description

OBLAST TEHNIKE

Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na

instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema pronalasku pripada oblasti

merenja električnih promenljivih koriSćenjem modulisanja svetlosti kojim se vrši merenje

elektromagnetnog polja, odnosno pripada napravama ili uređajima čiji se optički rad modiflkuje

pramenom optičkih osobina medijuma naprava ili uređaja za upravljanje polarizacijom

svetlosnih zraka koji koriste magnetooptičke uređaje npr. pomoću Faradejevog efekta.

(InLCl<7>.: G 01R 15/24; G 01R 29/12; G 02F 1/09)

TEHNIČKI PROBLEM

Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, rešava problem merenja intenziteta (r.m.s. vrednosti) električne struje industrijske frekvencije 50Hz u opsegu od nekoliko ampera (A) do 2kA, bez prekidanja strujnog kola i to na vodovima pod visokim naponom sve do 3SkV, a namenjen je za direktnu upotrebu u organizacijama za proizvodnju i distribuciju električne energije i to za kontrolu intenziteta naizmenične struje (frekvencije 50Hz), za harmonijske analize, kao i za pronalaženje kvara.

Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema ovom pronalasku rešava i problem merenja na terenu, za vreme opravki i intervencija na visokonaponskim vodovima, transformatorskim ili razvodnim postrojenjima, odnosno na bilo kojim vodovima gde je potrebno izvršiti merenje ili proveru radnog stanja.

Uređaj prema pronalasku rešava i problem dalje obrade trenutne vrednosti intenziteta električne struje registrovanih pomoću fiber-optičkog senzora (FOCS) tako što primenom standardnog medusklopa (RS232 interfejs) sve registrovane podatke prenosi u presonalni računar

Cilj predmetnog pronalaska je i da obezbedi prenosivi uređaj malih dimenzija, kompaktne konstrukcije prilagođene za transport i rad na terenu, a koji je jednostavan za rukovanje, lagan i koji poseduje svoj sopstveni izvor napajanja.

Dalji cilj predmetnog pronalaska je i ostvarenje prenosnog uređaja sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja koji će biti neosetljiv na elektromagnetno zračenje i koji će imati veliku tačnost, a koja u zavisnosti od memog opsega neće izlaziti iz granice od 1%.

STANJE TEHNIKE

Poznato je da se merenje intenziteta struje za male napone može vršiti strujnim memim transformatorom sa magnetnim kolom od feromagnetnog materijala koje ima oblik poluga klješta, a koje poluge su delovi jezgra transformatora. Kada se tim tzv. memim strujnim klještima zahvati provodnik sa strujom, tada se u sekundaru dobija slika onog Što se meri u primarnom kolu. Pošto se ovde radi o velikim strujama, i visokim naponima da bi se izvršilo merenje primenom strujnog transformatora mora da se prekine strujno kolo, pa se iz tih razloga koriste optički merni uređaji

U prethodnom periodu od skoro više od trideset godina, mnogo istraživačkih napora je potrošeno na razvijanju i razvoju fiber-optičkih senzora za merenje intenziteta struiuje (Fiber-optic current sensor- FOCS) koji su zasnovani na korišćenju Faradejevog efekta. Kada se linearno polarizovana svetlost propušta kroz Faradejev materijal, ravan polarizacije se rotira delovanjem magnetnog polja stvorenog električnom strujom. Pokazalo se da senzori sa optičkim vlaknima imaju niz prednosti u poređenju sa konvencionalnim strujnim transformatorima sa gvozdenim jezgrom. Najvažnije prednosti u oblasti elektroenergetike se ogledaju u otpornosti na razne elektromagnetne utkaje, u mogućnosti nekontaktnog merenja, visokom dinamičkom opsegu, kompaktnom izgledu, nemogućnost eksplodiranja, i postojanje širokog opsega koji omogućava harmoničku analizu struje koja se meri.

Prema postupku detektovanja Faradejeve rotacije, postoje dva glavna pristupa, i to polarimetrijske i interferometrijske metode. S drage strane, senzori mogu biti podeljeni na one unutrašnjeg ili one spoljašnjeg tipa. Senzori unutrašnjeg tipa koriste optička vlakna kao osetljivi element. Veličina rotacije je srazmema jačini električne struje, Verdet-ovoj konstanti posebnog optičkog vlakna i broju namotaja kojim vlakno obuhvata provodnik sa strujom koja se meri. Produžavanjem optičke putanje može se postići visoka osetljivost merenja, aii ovakva kola ne mogu biti prenosna, a najveći problem je kako izbeći linearnu dvojnu refrakciju (dvojno prelamanje svetlosnog zraka) indikatorskog optičkog vlakna.

Senzori spoljašnjeg tipa mogu biti ostvareni primenom rasejanja svetlosti gde blok od Faradejevog materijala obuhvata provodnik. Ovo je najmanje problematično rešenje ali koristi mnogo optičkog materijala i takođe nije prenosno. Drugi senzori spoljašnjeg tipa koriste magnetske koncentratore. U ovom pristupu, magnetno kolo okružuje provodnik i magnetsko polje indukovano električnom strujom se meri optički u vazdušnom procepu. Prednosti ovog pristupa se ogledaju u' maloj količini potrebnog optičkog materijala, kratkom i jednostavnom optičkom putu i pogodnosti za konstruisanje prenosnog senzora. Ako je senzorska glava odgovarajuće konstruisana, merenje je praktično nezavisno od struje u neposrednoj blizini provodnika.

Temperaturna zavisnost Faradejeve rotacije je zajednički problem svih navedenih rešenja. U predmetnoj literaturi su bili predloženi neki postupci kompenzacije temperature i oni se mogu uspešno primenjivati na rešenja magnetskog koncentratora

OPIS PRONALASKA

Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema pronalasku, se sastoji od rasklopive senzorske glave koja radi na principu Faradejevog efekta kao magnetni koncentrator, izolacione motke (nije prikazana) kojom se senzorska glava prinosi provodniku da bi ga obuhvatila, optičkog vlakna i centralne elektronske jedinice (CEJ). Najvažniji delovi prenosnog uređaja za merenje su rasklopiva senzorska glava koja je povezana optičkim vlaknima sa optičkim predajnikom i optičkim prijemnikom koji se nalaze u centralnoj elektronskoj jedinici (CEJ) i oni će sada biti opisani detaljno sa pozivom na referentne brojeve na pripadajućim nacrtima koji su dati samo kao neograničavajući primer i na kojima: Slika 1 prikazuje senzorsku glavu koja se sastoji od magnetskog prstenastog jezgra koje može da se otvori i obuhvati provodnik. Oznaka jirna slici označava magnetsku permeabilnost magnetskog jezgra;

Slika 2 prikazuje blok šemu centralne elektronske jedinice (CEJ) sa dva kanala ostvarenog prenosnog uređaja prema pronalasku;

Slika 3 prikazuje blok šemu centralne elektronske jedinice (CEJ) sa jednim kanalom ostvarenog prenosnog uređaja prema pronalasku;

Slika 4 prikazuje uvođenje optičkog vlakna u magnetni koncentrator;

Slika 5 prikazuje uveličan detalj optičkog vlakna u zaštitnom graničniku;

Slike 6 prikazuje magnetni koncentrator sastavljen od dva pokretna i dva ćela koji su nepokretni;

Slika 7 prikazuje magnetni koncentrator sastavljen od jednog pokretnog i dva dela koji su nepokretni.

Rasklopiva senzorska glava prikazana na Slici 1 je ostvarena od magnetnog koncentratora, u obliku zatvorene krive. Njome se pomoću izolacione motke (nije prikazana) na koju se postavlja rasklopiva senzorska glava, obuhvata strujni provodnik i zatvara koncentrator. Koncentrator može sadržati jedan ili dva pokretna dela slika 6 i slika 7. Kao Što je to napred naznačeno, oznaka Ur na slici označava magnetsku permeabilnost magnetskog jezgra.

U procepu koncentratora se nalazi Faradavev senzor (optički senzor OS) za merenje magnetnog polja, koje je stvoreno proricanjem struje kroz provodnik P. Svetio se do senzora dovodi optičkim vlaknom OV koji je provučen kroz nepokretni deo 1 koncentratora. Pokretni delovi 2 koncentratora se obrću oko ose rotacije X u smerovima označenim strelicama, gde smer A označava smer kretanja kada se koncentrator otvara, dok smer strelice B označava smer kretanja pokretnih delova 2 kada se koncentrator zatvara oko provodnika P i oblikuje zatvorenu konturu. Delovi označeni sa 3 su granične poluge koje su pričvršćene za pokretne delove 2 koncentratora na koje naleže provodnik P i pritiskom na njih proizvodi zatvaranje koncentratora tako da se obuhvaćeni provodnik P nalazi u sredini zatvorene konture oblikovane od pokretnih 2 i nepokretnih delova 1 koncentratora. Optičkim vlaknomOVpse strujno modulisani optički signal vodi ka centralnoj elektronskoj jedinici (CEJ). U zavisnosti od dubine modulacije svetlosti u senzorskoj glavi, moguće je obradu signala uraditi na dva načina. U slučaju kada je dubina modulacije mala, koristi se metod dva kanala, dok se u slučaju kada je dubina modulacije dovoljno velika signal se vodi samo jednim kanalom, dok drugi kanal ostaje slobodan za neka druga merenja.

Na slici 2 je prikazana blok šema centralne elektronske jedinice (CEJ) sa dva kanala gde se amplitudno modulisani signal na svetlosnom nosaču iz prijemnog optičkog vlakna OVp uvodi u prijemni deo kojeg čini fototranzistor FT koji detektuje ovu modulisanu svetlost iz prijemnog optičkog vlaknaOVpi koji konvertuje ovu svetlost u električnu struju sa inherentnim pojačanjem. Ova struja se pojačava u transimpedansnorr. stepenu TIS koji vrši linearnu konverziju strujnog signala u naponski signal. Ovaj signal se zatim deli na dva signala gde se prvi po grani DC propušta kroz filtar FN niskopropusnik opsega jediničnog pojačanja, dok se u drugi modulisani signal u kapacitivno spregnutoj grani nekoliko puta pojačava u pojačavaču AC koji ima karakteristiku filtera propusnika visokih ućestanosti. Signali iz ove dve grane se sinhronc digitalizuju sa dvokanalnim AD konvertorom ADC (AD konvertor visoke rezolucije, 20 ili više bitova, sigma delta tehnologija konverzije) i tako dobijena vremenska serija se uvodi u mikrokontroler MCU gde se prikuplja, pretvara iz serijskog zapisa u paralelni zapis i kao takav prebacuje u realnom vremenu u memoriju SRAM. Kada se završi proces konverzije zadatim brojem tačaka, pristupa se digitalnoj obradi signala. Iz vremenske serije DC se usrednjavanjem na celoj dužini, dobija imenilac (xDC). Nad AC vremenskom serijom se računa efektivna vrednost i tako dobija brojilac (xAC). Zatim se vrši deljenje xAC/xDC. Ovo je digitalna izračunata vrednost merene veličine, koja predstavlja efektivnu vrednost struje se prikazuje na ekranu od tečnih kristala LCD, na kojem se ispisuju i upravljački i kontrolni zapisi. Međutim da bi se dobila tačna vrednost neophodno je izvršiti kalibraciju uređaja.

Na slici 3 je prikazana blok šema centralne elektronske jedinice (CEJ) sa jednim kanalom a koji se koristi kada je dubina modulacije dovoljno velika. Svetlost se optičkim vlaknom OV iz predajnog delaLED(svetlosna dioda) dovodi do rasklopive senzorske glave, gde se vrši moduli sanje svetlosnog zraka u optičkom senzoru OS i vraća povratnim optičkim vlaknom OVp u centralnu elektronsku jedinicu CEJ. Ovde se vrši napajanje svetlosnog izvora i optičkog prijemnika, a takođe obavlja se elektronsko procesiranje signala i proračun efektivne vrednosti struje koja je izazvala modulaciju polarizacije svetlosti. Amplitudno modulisani signal iz prijemnog optičkog vlakna OVp se uvodi u prijemni deo kojeg čini fototranzistor FT koji detektuje ovu modulisanu svetlost iz prijemnog optičkog vlakna OVp i koji konvertuje ovu svetlost u električnu struju sa inherentnim pojačanjem. Ova struja se pojačava u transimpedansnom stepenu TIS koji vrši linearnu konverziju strujnog signala u naponski signal koji se dalje vodi samo jednim kanalom. Drugi kanal ostaje slobodan za neka druga merenja. Ovim jednim kanalom signal se vodi do istog dvokanalnog AD konvertora. Merenje se vrši tako što se iz iste vremenske serije, digitalnom obradom u mikrokontroleru MCU računa xDC kao srednja vrednost, a zatim se računa xAC kao razlika ulaznog signala i ovako dobijene srednje vrednosti. Sada se kao i kod prvog načina (sa dvokanalnim metodom) računa količnik xAC/xDC. Ovo je digitalna izračunata vrednost merene veličine, koja predstavlja efektivnu vrednost struje. Međutim da bi se dobila tačna vrednost neophodno je izvršiti kalibraciju uređaja. Prednost ovakve metode je u tome što se eliminiše uticaj temperature na vrednost pojačanja drugog pojačavača.

Pomoću standardnog međusklopa (RS232 interfejs) svi registrovani podaci se iz mikrokontrolera MCU preko priključnice PC mogu preneti u presonalni računar na dalju obradu ili analize

Kalibracija uređaja zahteva da se odredi velika kalibraciona tabela u kojoj bi za sve moguće digitalne vrednosti, koje se mogu u zavisnosti od tačnosti uređaja dogoditi prilikom merenja, postojala adekvatna tačna vrednost merene veličine, odnosno efektivna vrednost struje. Da bi se dobila velika kalibraciona tabela, potrebno je prvo izvrši veliki broj merenja za različite etalonske efektivne vrednosti struje, odnosno formirati malu kalibracionu tabelu, čije elemente čine etalonske efektivnoj vrednosti i adekvatne digitalne izračunate vrednosti. Broj mogućih digitalnih vrednosti, koje se mogu desiti prilikom merenja je ogroman, daleko veći od broja elemenata male kalibracione tabele. Da bi dobili veliku kalibracionu tabelu potrebno je koristeći malu kalibracionu tabelu izvršiti formiranje interpolacionog polinoma visokog reda. Sada se elementi velike kalibracione tabele jednom sračunaju i memorišu trajno. Na. taj način se mikrokontroler u uredjaju osiobadja od računanja polinoma već se koristi samo za pretraživanje tabele. Time se ubrzava postupak merenja. Sada se dobijanje tačnog rezultata merenja realizuje tako što se merenjem dobija digitalna vrednost za količnik xAC/xDC i u velikoj kalibracionoj tabeli pronađe odgovarajuća efektivna vrednost struje u amperima, i koja se prikazuje na LCD ekranu.

Na slici 4 vidimo da se senzorski deo sastoji se od magnetooptičkog kristala Q i dva polarizatoraPOL.Da ne bi usleđ magneto-strikcionog efekta došlo do oštećenja polarizatoraPOLoptičko vlakno OV ne naleže direktno na njih već je postavljen zaštitni graničnik GRz. Otvor na strani polarizatoraPOL jemanji od prečnika optičkog vlakna OV, i sprečava oštećenje polarizatora (Slika 5). Poprečni presek kristala Q mora biti dovoljno veliki u odnosu na njegovu dužinu i na prečnik optičkog vlakna da bi se sprečilo rasejanje svetlosti o ivice kristala, jer ova svetlost doživljava dodatnu polarizaciju, što predstavlja smetnju u merenju. Ovakom konstrukcijom izbegmito je korišćenje prizmi za uvođenje svetlosti u kristal Q, ali i primena sočiva i blendi pomoću kojih je izbegavan efekat ove refleksije.

Na slici 6 je prikazan magnetni koncentrator sastavljen od dva nepokretna dela 1 i dva pokretna dela 2, gde se zakretanjem pokretnih delova 2 oko osa X u smeru strelice A koncentrator'- otvara za prijem provodnika P, dok se zakretanjem u suprotnom smeru B

-koncentrator zatvara obuhvatajući provodnik P koji provodi struju čiju vrednost merimo.

Slika 7 prikazuje varijantno rešenje magnetnog koncentratora sastavljenog od dva dela 1 koji su nepokretni i jednog pokretnog dela 2 gde se zakretanjem pokretnog dela 2 oko ose X u smeru A pokretni deo 2 se pomera ustranu omogućavajući da se provodnik P obuhvati tako što će se spuštanjem magnetnog koncentratora provodnik dovesti u središte konture, a zatim se zakretanjem pokretnog dela 2 u suprotnom smeru B kontura zatvoriti.

Jasno je da detalji konstrukcije i ostvarenja mogu da se i mnogo menjaju u odnosu na one opisane i prikazane na nacrtima, a da se time ne udaljava od zamisli predmetnog pronalaska kao što je defimsan u sledećim patentnim zahtevima.

Claims (6)

1. Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, se sastoji od rasklopive senzorske glave koja radi na principu Faradejevog efekta kao magnetni koncentrator. izolacione motke kojom se senzorska glava prinosi provodniku da bi ga obuhvatila, optičkog vlakna i centralne elektronske jedinice (CEJ)., naznačen time, što je rasklopiva senzorska glava ostvarena od magnetnog koncentratora, u obliku zatvorene krive koja obuhvata strujni provodnik (P) i zatvara koncentrator, gde koncentrator može sadržati jedan ili dva nepokretna dela (1) sa procepom u kojem se nalazi Faradavev senzor/optički senzor (OS) povezan sa jedne strane dovodnim optičkim vlaknom (OV) koje je provučeno kroz nepokretni deo (1) koncentratora za koji su obrtno oko ose rotacije (X) pričvršćeni pokretni delovi (2) koncentratora tako da se pomeranjem u smeru (A) koncentrator otvara, dok se pomeranjem u smeru strelice (B) koncentrator zatvara oko provodnika (P) koji naleže na granične poluge (3) pričvršćene za pokretne delove (2);dok je sa druge strane Faradavev senzor/optički senzor (OS) povezan sa prijemnim optičkim vlaknom (OVp), pri čemu su drugi krajevi optičkog vlakna povezani sa centralnom elektronskom jedinicom (CEJ) tako daje drugi kraj dovodnog optičkog vlakna (OV) povezan sa emiterom kontinualne svetlosti (LED) diodom koja je priključena na mikrokontroler (MCU) na koji su priključeni memorija (SRAM) i. ekran od tečnih kVistala (LCD), dok je drugi kraj prijemnog optičkog vlakna (OVp) priključen na prijemnik koga čini fototranzistor (FT) čiji je izlazni priključak vezan na ulaz pojačavačkog transimpedansnog stepena (TIS) a čiji se izlaz preko grane (DC) vezuje za ulaz filtera (FN) niskopropusnika opsega jediničnog pojačanja, čiji je izlaz priključen na ulaz prvog kanala dvokanalnog AD konvertora (ADC), pri čemu je isti izlaz pojačavačkog transimpedansnog stepena (TIS) preko kondenzatora (C) vezan za ulaz pojačavača (AC) čiji je izlaz vezan na ulaz drugog kanala dvokanalnog AD konvertora (ADC) čij i je izlaz priključen na mikrokontroler (MCU).

2. Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema zahtevu 1, n a z n ače n t i m e, što je konvertor (ADC) AD konvertor visoke rezolucije, 20 ili više bitova, sigma delta tehnologije konverzije.

3. Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema žahtevima 1 i 2, n a z n a č e n t i m e, Sto je u slučaju jednokanalnog rada izlaz pojačavačkog transimpedansnog stepena (TIS) direktno vezan na ulaz jednog kanala dvokanalnog AD konvertor (ADC), dok ulaz drugog kanala ostaje slobodan.

4. Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema žahtevima 1 do 3, n a značen time, Sto se senzorski deo (OS) sastoji od magnetooptičkog kristala (Q) smeštenog između dva polarizatora (POL) unutar procepa u nepokretnom delu (1) i gde optička vlakna (OV) i (OVp) ne naležu direktno na polarizatore (POL) već su uvedeni u zaštitne graničnike (GRz) čiji je otvor na strani polarizatora (POL) manji od prečnika optičkog vlakna (OV) odnosno (OVp).

5. Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema bilo kojem od prethodnih zahteva, naznačen time, što je magnetni koncentrator sastavljen od dva nepokretna dela (1) i dva pokretna dela (2) koji se mogu zakretati oko osa X u smeru strelice A za otvaranje koncentratora za prijem provodnika, dok se zakretanjem u suprotnom smeru B koncentrator zatvara obuhvatajući provodnik (P).

6. Prenosni uređaj sa fiber-optičkim senzorom za merenje intenziteta električne struje na instalacijama visokog napona, bez prekidanja napajanja, prema bilo kojem od prethodnih zahteva, naznačen time, što je magnetni koncentrator sastavljen od dva dela (1) koji su nepokretni i jednog pokretnog dela (2) koji je zakretno pokretan oko ose (X) u smeru A ustranu za otvaranje koncentratora odnosno u suprotnom smeru B za zatvaranje konture koncentratora.