RU2321000C2 - Fiber-optic current transformer - Google Patents
Fiber-optic current transformer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2321000C2 RU2321000C2 RU2005127887/28A RU2005127887A RU2321000C2 RU 2321000 C2 RU2321000 C2 RU 2321000C2 RU 2005127887/28 A RU2005127887/28 A RU 2005127887/28A RU 2005127887 A RU2005127887 A RU 2005127887A RU 2321000 C2 RU2321000 C2 RU 2321000C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- current transformer
- optic current
- fiber optic
- transformer according
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.The invention relates to the field of electrical measurements and can be used in the electric power industry, in high voltage measuring equipment, in the field of relay protection and automation.
До последнего времени замеры электрических величин в распределительных устройствах промышленных предприятий, включая электрические станции, выполняются с помощью электромагнитных трансформаторов тока, стоимость которых составляет значительную долю стоимости всего распределительного устройства. Назначение трансформаторов тока - преобразование тока в высоковольтной сети в сигнал низкого напряжения с тем, чтобы использовать его для целей измерения, релейной защиты и учета электроэнергии.Until recently, measurements of electrical quantities in switchgears of industrial enterprises, including power plants, are carried out using electromagnetic current transformers, the cost of which is a significant fraction of the cost of the entire switchgear. The purpose of current transformers is to convert current in a high voltage network into a low voltage signal in order to use it for measurement, relay protection and electricity metering.
Электромагнитные трансформаторы тока представляют собой, как правило, первичный токоведущий контур (первичную обмотку) из одного-двух витков и связанный с ним через магнитопровод вторичный токоведущий контур (вторичную обмотку), состоящий из большого числа витков. Первичная обмотка находится под рабочим напряжением высоковольтной сети, в то время как потенциал вторичной обмотки и проходящего внутри нее магнитопровода незначительно отличается от потенциала земли. Изолирующий промежуток между первичной и вторичной обмотками обеспечивает отсутствие электрического пробоя при всех видах эксплуатационных воздействий. При этом с ростом класса напряжения не пропорционально увеличиваются затраты на изоляцию.Electromagnetic current transformers are, as a rule, a primary current-carrying circuit (primary winding) of one or two turns and a secondary current-carrying circuit (secondary winding) connected to it through a magnetic circuit, consisting of a large number of turns. The primary winding is under the operating voltage of the high-voltage network, while the potential of the secondary winding and the magnetic circuit passing inside it is slightly different from the ground potential. The insulating gap between the primary and secondary windings ensures the absence of electrical breakdown for all types of operational influences. At the same time, with the growth of the voltage class, the costs of insulation do not proportionally increase.
Известны конструкции трансформаторов тока, в которых применяются бумажно-масляная, литая из эпоксидного компаунда и элегазовая изоляции (см. [1]). Недостатком этих конструкций является высокая вероятность электрического пробоя изоляционных промежутков в процессе эксплуатации, что подтверждается многолетним опытом использования таких трансформаторов тока в различных электроэнергетических устройствах.There are known designs of current transformers in which paper-oil, cast from epoxy compound and gas-insulated insulation are used (see [1]). The disadvantage of these designs is the high probability of electrical breakdown of the insulation gaps during operation, which is confirmed by many years of experience in using such current transformers in various electric power devices.
Из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода такие трансформаторы тока принципиально не могут обеспечить удовлетворительные метрологические характеристики в переходных режимах, а также после протекания токов короткого замыкания, когда происходит глубокое насыщение магнитопровода трансформатора тока апериодической составляющей тока короткого замыкания (остаточная насыщенность после протекания токов короткого замыкания может сохраняться несколько месяцев). Кроме того, при импульсных процессах возникает разность потенциалов между точками заземления контура высокого напряжения и измерительной цепи, которая влияет на измеряемый сигнал.Due to the nonlinearity of the magnetization curve of the magnetic circuit, such current transformers cannot fundamentally provide satisfactory metrological characteristics in transient conditions, as well as after short-circuit currents, when the magnetic circuit of the current transformer is deeply saturated with an aperiodic component of short-circuit current (residual saturation after short-circuit currents can persist for several months). In addition, during pulsed processes, a potential difference arises between the grounding points of the high voltage circuit and the measuring circuit, which affects the measured signal.
Таким образом, возможности традиционных методов измерения с использованием электромагнитных трансформаторов тока уже практически полностью исчерпаны. Принципиально другой перспективный подход, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, реализуется в оптико-электронных трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.Thus, the possibilities of traditional methods of measurement using electromagnetic current transformers are almost completely exhausted. A fundamentally different promising approach, based on the use of the magneto-optical Faraday effect, is implemented in optoelectronic current transformers used in combination with modern digital signal processing and data transmission technologies.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство (см. [2]), включающее первичный токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки, изготовленной из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины.The closest in technical essence to the claimed device is a device (see [2]), including a primary current-carrying circuit, surrounded by a magneto-optical sensitive element in the form of a coil made of optical fiber, means for inputting a polarized light signal into the fiber, means dividing a polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components, as well as a unit for converting components into normalized intensities spans electrical signals and a unit for generating a measuring signal and determining a measured value from it.
Существенным недостатком данного устройства является его невысокая надежность и стабильность в реальных условиях эксплуатации, в частности при всех видах воздействующего напряжения, воздействующих механических нагрузок, при загрязнении и увлажнении. В существующей конструкции отсутствует опорно-изоляционная конструкция, позволяющая описанному устройству функционировать в качестве самостоятельного аппарата при воздействии высокого напряжения в условиях загрязнения и увлажнения. Отсутствие трекингостойкой оболочки создает возможность протекания тока утечки по поверхности устройства. Использованные способы формирования измерительного сигнала (см., например, [3]), средства ввода в магнитооптический чувствительный элемент поляризованного светового сигнала и деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала (см., например, [4]) не обеспечивают необходимой точности и стабильности измерений в реальных условиях эксплуатации.A significant disadvantage of this device is its low reliability and stability in real operating conditions, in particular with all types of acting voltage, mechanical stress, pollution and wetting. In the existing design, there is no support-insulating structure that allows the described device to function as an independent apparatus when exposed to high voltage in conditions of pollution and humidification. The absence of a tracking-resistant shell creates the possibility of leakage current flowing over the surface of the device. The methods used for generating the measuring signal (see, for example, [3]), means for introducing a polarized light signal into the magneto-optical sensing element, and dividing the polarized light signal into two different pairs of mutually orthogonal linearly polarized components of the light signal (see, for example, [4] ) do not provide the necessary accuracy and stability of measurements in real operating conditions.
Техническая задача предлагаемого изобретения "Волоконно-оптический трансформатор тока" заключается в повышении его надежности и стабильности измерений в условиях длительной эксплуатации при всех видах воздействующего электрического напряжения, воздействующих механических нагрузок и различных воздействиях факторов внешней среды.The technical problem of the invention, "Fiber-optic current transformer" is to increase its reliability and stability of measurements in long-term operation under all types of acting electrical voltage, mechanical stress and various environmental factors.
Для решения поставленной задачи предложено следующее.To solve this problem, the following is proposed.
Волоконно-оптический трансформатор тока, включающий токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины, отличающийся тем, что элементы волоконно-оптического трансформатора тока размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала.Fiber-optic current transformer, including a current-carrying circuit, covered by a magneto-optical sensitive element in the form of an optical fiber coil, optically coupled to the sensitive element input means of the polarized light signal into the fiber, means for dividing the polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components, as well as an assembly transforming the components into electrical signals normalized in intensity and the measuring signal generating unit and determine Measurement of the measured value, characterized in that the elements of the fiber optic current transformer are placed on a supporting insulator with a protective coating, equipped with high-voltage fittings and a flange of zero potential.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что средство деления выполняет функцию деления светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, различающиеся угловой ориентацией, узел преобразования выполняет функцию преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы, а блок формирования выполняет функцию формирования из полученных сигналов измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.Fiber-optic current transformer, characterized in that the dividing means performs the function of dividing the light signal into two different pairs of mutually orthogonal linearly polarized components, differing in angular orientation, the conversion unit performs the function of converting these components into intensity-normalized electrical signals, and the forming unit performs the function forming from the received signals a measuring signal taking into account the angle of orientation between the pairs and determining it th magnitude.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур состоит из двух и более витков.Fiber optic current transformer, characterized in that the current-carrying circuit consists of two or more turns.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур включает в себя элементы высоковольтной арматуры, снабженной контактными площадками для присоединения подводящих проводов, а катушка из оптического волокна размещена непосредственно на высоковольтной арматуре.Fiber-optic current transformer, characterized in that the current-carrying circuit includes elements of a high-voltage armature equipped with contact pads for connecting the lead-in wires, and a coil of optical fiber is placed directly on the high-voltage armature.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур выполнен разъемным.Fiber optic current transformer, characterized in that the current-carrying circuit is made detachable.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что токоведущий контур выполнен неразъемным.Fiber optic current transformer, characterized in that the current-carrying circuit is made integral.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что он снабжен защитной оболочкой из кремнийорганической резины или другого диэлектрика.Fiber optic current transformer, characterized in that it is equipped with a protective sheath of silicone rubber or other dielectric.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что защитной оболочке придана ребристая форма.Fiber optic current transformer, characterized in that the protective shell is given a ribbed shape.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что он снабжен несколькими катушками из оптического волокна с различными параметрами, например числом витков или чувствительностью магнитооптического материала, причем часть катушек предназначена для измерения тока, а другая часть - для работы релейной защиты или для выполнения других функций.Fiber-optic current transformer, characterized in that it is equipped with several coils of optical fiber with various parameters, for example, the number of turns or the sensitivity of the magneto-optical material, and some of the coils are designed to measure current and the other part to operate relay protection or to perform other functions .
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что катушка из оптического волокна и оптически связанные с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на высоковольтной арматуре.Fiber-optic current transformer, characterized in that the coil of optical fiber and optically coupled means for inputting a polarized light signal into the fiber and means for dividing the polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components are located on the high-voltage armature.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что концы магнитооптического чувствительного элемента проведены через внутреннюю полость опорного изолятора, а оптически связанные с ним средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на фланце нулевого потенциала.Fiber-optic current transformer, characterized in that the ends of the magneto-optical sensing element are drawn through the internal cavity of the reference insulator, and the means for inputting the polarized light signal into the fiber and the means for dividing the polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components are located on the zero potential flange .
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что для присоединения к внешней измерительной цепи использованы соединители оптического волокна.Fiber optic current transformer, characterized in that the optical fiber connectors are used to connect to the external measuring circuit.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что для присоединения к внешней измерительной цепи и герметизации внутренней полости опорного изолятора использованы оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы).Fiber-optic current transformer, characterized in that for connecting to the external measuring circuit and sealing the internal cavity of the reference insulator, optical radiation input-output elements (windows, lenses) are used.
Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна.Fiber optic current transformer in which the magneto-optical sensing element is made of single-mode optical fiber.
Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна с малым внутренним линейным двойным лучепреломлением.Fiber optic current transformer in which the magneto-optical sensing element is made of a single-mode optical fiber with a small internal linear birefringence.
Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным.A fiber optic current transformer in which a magneto-optical sensing element is made of a single-mode optical fiber with strong internal birefringence, mainly circular.
Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором на конце магнитооптического чувствительного элемента установлен отражатель.Fiber optic current transformer in which a reflector is installed at the end of the magneto-optical sensing element.
Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором форма катушки из оптического волокна выбрана из условия компенсации линейных двойных лучепреломлений, вызванных изгибом волокна при намотке.Fiber optic current transformer in which the shape of the coil of optical fiber is selected from the condition of compensation for linear birefringence caused by bending of the fiber during winding.
Волоконно-оптический трансформатор тока, отличающийся тем, что информация об измеряемом токе преобразуется и передается в форме цифрового сигнала посредством блока формирования измерительного сигнала.Fiber optic current transformer, characterized in that information about the measured current is converted and transmitted in the form of a digital signal by means of a measuring signal generating unit.
Для достижения поставленной технической задачи:To achieve the technical task:
- в волоконно-оптическом трансформаторе тока, включающем токоведущий контур, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования измерительного сигнала и определения по нему измеряемой величины, новым является то, что его элементы размещены на опорном изоляторе с защитным покрытием, снабженном высоковольтной арматурой и фланцем нулевого потенциала.- in a fiber-optic current transformer, including a current-carrying circuit, covered by a magneto-optical sensitive element in the form of a coil of optical fiber, means for inputting a polarized light signal into the fiber, means for dividing the polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components, and a unit for converting components into electrical signals normalized in intensity and a unit for generating a measuring signal and about definiteness thereon measurand, new is that its elements are arranged on a supporting insulator with a protective coating, provided with high reinforcement and flange zero potential.
Обеспечив в предложенном устройстве выполнение средством деления функции деления на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, выполнение узлом преобразования функции преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы, а блоком формирования выполнение функции формирования из полученных сигналов измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины, мы реализуем большую точность и стабильность измерения в условиях реальной эксплуатации, в частности при воздействии температуры и вибраций.Having provided in the proposed device, the means of dividing the dividing function into two different pairs of mutually orthogonal linearly polarized components of the light signal, differing in angular orientation, the conversion node performs the function of converting these components into intensity-normalized electrical signals, and the generation unit performs the function of generating the measurement signal from the received signals taking into account the orientation angle between the pairs and determining the measured value from it, we realize We call for greater accuracy and stability of measurements in real-life conditions, in particular when exposed to temperature and vibration.
Используя в предложенном устройстве токоведущий контур из двух и более витков, мы повысим точность измерения в диапазоне малых токов.Using in the proposed device a current-carrying circuit of two or more turns, we will increase the measurement accuracy in the range of low currents.
Используя в предложенном устройстве токоведущий контур в качестве элемента высоковольтной арматуры опорного изолятора, снабженной контактными площадками для присоединения подводящих проводов, и разместив катушку из оптического волокна непосредственно на высоковольтной арматуре, мы упростим устройство, обеспечив возможность создания трансформаторов тока на все классы напряжения.Using the current-carrying circuit in the proposed device as an element of the high-voltage armature of the support insulator equipped with contact pads for connecting the lead-in wires and placing the coil of optical fiber directly on the high-voltage armature, we simplify the device by making it possible to create current transformers for all voltage classes.
Выполнив в предложенном устройстве токоведущий контур разъемным, мы обеспечим возможность оперативного измерения тока.Performing in the proposed device current-carrying circuit detachable, we will provide the ability to quickly measure current.
Выполнив в предложенном устройстве токоведущий контур неразъемным, мы повысим надежность трансформатора, исключив из токовой цепи дополнительные контактные соединения.By making the current-carrying circuit in the proposed device one-piece, we will increase the reliability of the transformer by eliminating additional contact connections from the current circuit.
Снабдив предложенное устройство защитной оболочкой из кремнийорганической резины или другого диэлектрика, мы обеспечим его надежную защиту от внешних воздействий.Equipping the proposed device with a protective sheath made of organosilicon rubber or other dielectric, we will provide its reliable protection from external influences.
Придав защитной оболочке ребристую форму, мы снизим до необходимого уровня ток утечки по поверхности оболочки при ее загрязнении и увлажнении.Having given the protective shell a ribbed shape, we will reduce the leakage current along the surface of the shell when it is contaminated and moistened to the required level.
Снабдив предложенное устройство несколькими катушками из оптического волокна с различными параметрами, например числом витков или чувствительностью магнитооптического материала, часть которых предназначена для измерения тока, а другая часть - для работы релейной защиты, или для выполнения других функций, мы повысим точность измерения, увеличив диапазон измеряемого тока, и расширим функциональные возможности трансформатора.Having equipped the proposed device with several coils of optical fiber with various parameters, for example, the number of turns or the sensitivity of the magneto-optical material, some of which are designed to measure current, and another part to operate relay protection, or to perform other functions, we will increase the measurement accuracy by increasing the range of the measured current, and expand the functionality of the transformer.
Расположив на высоковольтной арматуре не только катушку из оптического волокна и оптически связанное с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, но также и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие, мы ликвидируем дополнительную погрешность измерения угла поляризации, связанную с двойным лучепреломлением светового луча при изгибе оптического волокна на участке между чувствительным элементом и фланцем нулевого потенциала.By placing on a high-voltage fixture not only an optical fiber coil and an optically coupled means of introducing a polarized light signal into the fiber, but also a means of dividing the polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components, we eliminate the additional error in the measurement of the polarization angle associated with birefringence light beam when bending an optical fiber in the area between the sensing element and the flange of zero potential.
Если мы концы катушки из оптического волокна проведем через внутреннюю полость опорного изолятора, а оптически связанные с ней средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала и средство деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположим на фланце нулевого потенциала, то обеспечим защиту элементов трансформатора тока от внешних метеорологических воздействий, в том числе от увлажнения и загрязнения.If we pass the ends of the coil of optical fiber through the internal cavity of the reference insulator, and we arrange the means of inputting the polarized light signal and the means for dividing the polarized light signal into mutually orthogonal linearly polarized components on the zero potential flange, we will protect the elements of the current transformer from external meteorological influences, including moisture and pollution.
Используя для присоединения к внешней измерительной цепи соединители оптического волокна, мы обеспечим удобство эксплуатации и ремонта трансформатора тока.Using optical fiber connectors to connect to the external measuring circuit, we will ensure the ease of operation and repair of the current transformer.
Используя для присоединения к внешней измерительной цепи и герметизации внутренней полости опорного изолятора оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы), мы обеспечим дополнительную защиту элементов трансформатора тока от внешних метеорологических воздействий.Using optical elements of radiation input-output (windows, lenses) for connecting to the external measuring circuit and sealing the internal cavity of the reference insulator, we will provide additional protection for the elements of the current transformer from external meteorological influences.
Выбрав в устройстве в качестве чувствительного элемента одномодовое оптическое волокно, мы обеспечим простоту исполнения трансформатора.By choosing a single-mode optical fiber as a sensitive element in the device, we will ensure the simplicity of the transformer design.
Если в устройстве в качестве чувствительного элемента мы выберем одномодовое оптическое волокно с малым внутренним двойным лучепреломлением, то повысим точность измерения.If we choose a single-mode optical fiber with a small internal birefringence as a sensitive element in the device, then we will increase the measurement accuracy.
При выборе в устройстве в качестве чувствительного элемента одномодового оптического волокна с сильным внутренним двойным лучепреломлением, преимущественно циркулярным, мы уменьшим влияние внутреннего и наведенного линейных двойных лучепреломлений и реализуем большую чувствительность и стабильность измерений, повысив устойчивость трансформатора к вибрациям и термическим напряжениям.When a single-mode optical fiber with strong internal birefringence, mainly circular, is selected as a sensitive element in the device, we will reduce the effect of internal and induced linear birefringence and realize greater sensitivity and stability of measurements, increasing the transformer's resistance to vibration and thermal stresses.
Установив на конце оптического волокна отражательный элемент, мы исключим зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от формы (геометрии) катушки из оптического волокна оптического волокна. В качестве отражательного элемента может быть использовано зеркальное покрытие торца оптического волокна, нанесенное гальваническим способом, напылением в вакууме или каким-либо другим методом.By installing a reflective element at the end of the optical fiber, we eliminate the dependence of the output signal of the sensitive element on the shape (geometry) of the coil of the optical fiber of the optical fiber. As a reflective element, a mirror coating of the end of the optical fiber can be used, applied by a galvanic method, by vacuum deposition, or by some other method.
Выбрав форму катушки из оптического волокна из условия компенсации линейных двойных лучепреломлений, вызванных изгибом волокна при намотке, мы повысим точность измерений, исключив влияние двулучепреломления в волокне на состояние поляризации светового сигнала. Для этого, например, каждому участку оптического волокна, изогнутому по дуге окружности в какой-либо плоскости, должен быть сопоставлен такой же участок в перпендикулярной плоскости.By choosing the shape of the coil of optical fiber from the conditions for compensating linear birefringence caused by bending of the fiber during winding, we will increase the accuracy of measurements by eliminating the effect of birefringence in the fiber on the state of polarization of the light signal. For this, for example, each section of the optical fiber, bent along an arc of a circle in a plane, must be associated with the same section in the perpendicular plane.
Преобразуя и передавая информацию об измеряемом токе в форме цифрового сигнала, мы повысим надежность передачи сигнала от трансформатора тока до контрольно-измерительной аппаратуры.By converting and transmitting information about the measured current in the form of a digital signal, we will increase the reliability of signal transmission from the current transformer to instrumentation.
На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического трансформатора тока. На фиг.2 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с разъемным первичным токоведущим контуром. На фиг.3 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с неразъемным первичным токоведущим контуром. На фиг.4 показана схема построения волоконно-оптического трансформатора тока с многовитковым токоведущим контуром.Figure 1 presents a diagram of a fiber optic current transformer. Figure 2 shows a variant of the placement of elements of a fiber optic current transformer with a detachable primary current-carrying circuit. Figure 3 shows a variant of the placement of elements of a fiber optic current transformer with an integral primary current-carrying circuit. Figure 4 shows the construction diagram of a fiber optic current transformer with a multi-turn current-carrying circuit.
На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического трансформатора тока, включающего токоведущий контур 1, охваченный магнитооптическим чувствительным элементом 2 в виде катушки из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, различающиеся угловой ориентацией, а также узел 5 преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок 6 формирования измерительного сигнала с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.Figure 1 presents a diagram of a fiber-optic current transformer, including a current-carrying
Средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, например, включает в себя источник линейно поляризованного излучения (полупроводниковый лазер), при необходимости дополнительные поляризатор, сохраняющее поляризацию оптическое волокно, фазовую пластину и соединитель оптического волокна (на фиг.1 не указаны). В состав средства 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, например, входят соединитель оптического волокна (на фиг.1 не указан), коллимирующая линза 7 и поляризационные делители 8, 9. Преобразование составляющих светового сигнала в нормированные по интенсивности электрические сигналы осуществляется в соответствующих фотоэлектрических преобразователях 10-13 узла 5, предпочтительно состоящих из фотодиода и усилителя (на фиг.1 не обозначены). Блок 6 формирования включает в себя узел 14 фильтров нижних частот для выделения постоянных и переменных составляющих сигналов и узел 15 обработки, формирующий из полученных сигналов и их постоянных и переменных составляющих измерительный сигнал, по которому легко определяется измеряемая величина - переменный электрический ток. На фиг.1 обозначены:The means 3 for introducing a polarized light signal into the fiber, for example, includes a linearly polarized radiation source (semiconductor laser), optionally additional polarizer, which preserves the polarization of the optical fiber, phase plate, and optical fiber connector (not shown in Fig. 1). The means 4 for dividing the polarized light signal into two different pairs of mutually orthogonal linearly polarized components of the light signal, for example, includes an optical fiber connector (not shown in FIG. 1), a collimating lens 7, and polarizing dividers 8, 9. Converting the components of the light signal into intensity-normalized electrical signals are carried out in the respective photoelectric converters 10-13 of unit 5, preferably consisting of a photodiode and an amplifier (not indicated in Fig. 1 s). The forming unit 6 includes a low-pass filter assembly 14 for isolating the constant and variable components of the signals and a processing unit 15 that generates a measurement signal from the received signals and their constant and variable components, which can easily be used to determine the measured quantity — alternating electric current. Figure 1 marked:
i - переменный электрический ток;i - alternating electric current;
I1, I2, I3, l4 - нормированные по интенсивности электрические сигналы;I 1 , I 2 , I 3 , l 4 - electrical signals normalized by intensity;
М - измеряемый сигнал.M is the measured signal.
Для определения величины измеряемого сигнала М целесообразно использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в сочетании с электронной вычислительной машиной, например, на базе персонального компьютера PC IBM.To determine the value of the measured signal M, it is advisable to use an analog-to-digital converter (ADC) in combination with an electronic computer, for example, based on a personal computer PC IBM.
На фиг.2 показан вариант размещения элементов волоконно-оптического трансформатора тока с разъемным токоведущим контуром на опорном изоляторе, а на фиг.3 - вариант с неразъемным первичным токоведущим контуром (на примере конкретного исполнения). Токоведущий контур 1 волоконно-оптического трансформатора тока включает контактные площадки 16 для присоединения подводящих проводов. Токоведущий контур 1 волоконно-оптического трансформатора тока является элементом высоковольтной арматуры опорного изолятора 17, снабженного защитным покрытием 18 и фланцем 19 нулевого потенциала. Волоконно-оптический трансформатор тока включает магнитооптический чувствительный элемент в виде размещенной непосредственно на высоковольтной арматуре катушки 20 из оптического волокна с защитной оболочкой 21. Концы 22 катушки 20 проведены через внутреннюю полость опорного изолятора 17. Оптически связанные с катушкой 20 средства 23 ввода в волокно поляризованного светового сигнала и деления поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные линейно поляризованные составляющие расположены на фланце 19 нулевого потенциала, а для присоединения к внешней измерительной цепи использованы соединители 24 оптического волокна.Figure 2 shows a variant of the placement of elements of a fiber-optic current transformer with a detachable current-carrying circuit on a supporting insulator, and figure 3 - an option with a one-piece primary current-carrying circuit (for example, specific performance). The
На фиг.4 показана схема построения волоконно-оптического трансформатора тока с многовитковым токоведущим контуром, состоящим из П-образных отрезков токоведущей шины 25 и перемычек 26. На фиг.4 показан токоведущий контур, состоящий из четырех витков. Сходным образом может быть сформирован токоведущий контур, состоящий из произвольного числа витков.Figure 4 shows a diagram of the construction of a fiber-optic current transformer with a multi-turn current-carrying circuit, consisting of U-shaped segments of the current-carrying
Рассмотрим по схеме на фиг.1 принцип работы устройства по п.п.1 и 2 формулы. Измеряемый электрический ток i создает вокруг проводника 1 магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света от источника излучения средства 3 через находящийся в этом поле магнитооптический материал длиной l (чувствительный элемент 2) происходит вращение его плоскости поляризации на уголConsider the scheme in figure 1, the principle of operation of the device according to
где V - константа Верде материала;where V is the Verdet constant of the material;
Нl - составляющая магнитного поля вдоль направления распространения света.H l - component of the magnetic field along the direction of propagation of light.
При выборе в качестве чувствительного элемента 2 оптического волокна, образующего n витков вокруг проводника 1 с измеряемым электрическим током i, угол α поворота плоскости поляризации света на выходе волокна составит α=Vni.When choosing optical fiber as a sensitive element 2, forming n turns around a
Световой сигнал, прошедший коллимирующую линзу 7, далее подается на поляризационные делители 8 и 9 средства деления 4.The light signal that has passed through the collimating lens 7 is then supplied to the polarization dividers 8 and 9 of the dividing means 4.
При использовании одного поляризационного делителя, как правило, установленного под углом 45° к направлению поляризации падающего света, световой сигнал делится на пару взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих. В идеальном случае (при отсутствии двойных лучепреломлений, вызванных, например, термическими и механическими напряжениями) эти составляющие преобразуются в узле 5 в нормированные по интенсивности электрические сигналы Il=I0cos2(α+45°) и I2=I0sin2(α+45°). Здесь величина Io соответствует интенсивности света на входе поляризационного делителя 8, 9. Производя в блоке формирования 6 операции деления разности интенсивностей на их сумму, можно сформировать измерительный сигнал, зависящий только от угла поворота плоскости поляризации, а значит, и от величины измеряемого токаWhen using one polarizing divider, as a rule, installed at an angle of 45 ° to the direction of polarization of the incident light, the light signal is divided into a pair of mutually orthogonal linearly polarized components. In the ideal case (in the absence of birefringence caused, for example, by thermal and mechanical stresses), these components are converted in node 5 into intensity-normalized electrical signals I l = I 0 cos 2 (α + 45 °) and I 2 = I 0 sin 2 (α + 45 °). Here, the value of I o corresponds to the light intensity at the input of the polarization divider 8, 9. By performing in the forming unit 6 operations of dividing the difference of intensities by their sum, a measurement signal can be generated that depends only on the angle of rotation of the plane of polarization, and hence on the magnitude of the measured current
М=(I1-I2)/(I1+I2)=sin(2α)=sin(2Vni),M = (I 1 -I 2 ) / (I 1 + I 2 ) = sin (2α) = sin (2Vni),
где М - величина измерительного сигнала,where M is the magnitude of the measuring signal,
и по нему найти измеряемую величину i=arcsin(M/2Vn).and find the measured value i = arcsin (M / 2Vn) from it.
В реальной оптической системе под воздействием внутренних и внешних факторов (линейное двойное лучепреломление в чувствительном элементе, изгибы волокна - так называемый геометрический эффект, вибрации, термические напряжения и пр.) изначально линейное состояние поляризации светового сигнала преобразуется в эллиптическое, азимутальный угол которого относительно направлений поляризационного делителя может отличаться от 45°. В итоге это ведет к смещениям "рабочей точки", и чувствительность трансформатора становится нестабильной, сильно зависящей от условий измерения.In a real optical system, under the influence of internal and external factors (linear birefringence in a sensitive element, fiber bends - the so-called geometric effect, vibrations, thermal stresses, etc.), the initially linear state of polarization of the light signal is converted into an elliptical, azimuthal angle of which relative to the directions of the polarization the divider may differ from 45 °. As a result, this leads to displacements of the "operating point", and the sensitivity of the transformer becomes unstable, highly dependent on the measurement conditions.
Использование двух поляризационных делителей 8 и 9, осуществляющих деление светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, позволяет получить информацию о состоянии поляризации светового сигнала в волокне, то есть о величине смещения "рабочей точки". Например, для частного случая, когда угол эллиптичности ε=0 и уход "рабочей точки" связан с изменениями азимутального угла вектора поляризации, алгоритм формирования измерительного сигнал М при установке поляризационных делителей с углом между направлениями поляризации пар пучков, равным ±π/4±kπ/2 (k - целое число) соответствует относительно простому выражениюThe use of two polarization dividers 8 and 9, which divide the light signal into two different pairs of mutually orthogonal linearly polarized components of the light signal, differing in angular orientation, allows us to obtain information about the state of polarization of the light signal in the fiber, that is, the magnitude of the shift of the "operating point". For example, for the special case when the ellipticity angle ε = 0 and the departure of the “working point” is associated with changes in the azimuthal angle of the polarization vector, the algorithm for generating the measuring signal M when installing polarization dividers with an angle between the polarization directions of the beam pairs equal to ± π / 4 ± kπ / 2 (k is an integer) corresponds to a relatively simple expression
где I1, I2, I3, I4 - нормированные по интенсивности электрические сигналы и I1АС, I2АС, I3АС, I4АС - их переменные составляющие.where I 1, I 2, I 3, I 4 - the normalized intensity of the electrical signals and I 1AS, I 2AS, I 3AS, I 4AC - their variable components.
Применение высоковольтного опорного изолятора 17 (фиг.2 и 3) и использование оптического волокна в качестве магнитооптического чувствительного элемента в принципе исключает возможность электрического пробоя изоляции между первичной (токоведущий контур 1) и вторичной (катушка 20 из оптического волокна) обмотками трансформатора тока и существенно облегчает условия работы воздушной изоляции между высоковольтными элементами трансформатора тока и землей (фланцем 19 нулевого потенциала).The use of a high-voltage reference insulator 17 (FIGS. 2 and 3) and the use of optical fiber as a magneto-optical sensing element, in principle, eliminates the possibility of electrical breakdown of insulation between the primary (current-carrying circuit 1) and secondary (
Пример конкретного исполненияConcrete example
Нами изготовлен экспериментальный образец заявленного устройства для измерения переменного электрического тока, в котором в качестве магнитооптического чувствительного элемента было выбрано одномодовое (диаметр сердцевины 4 мкм) оптическое волокно длиной 8 м, закрученное вдоль оптической оси (относительное кручение 25 оборотов/м) и образующее вокруг проводника с током катушку из 9 витков.We have made an experimental sample of the claimed device for measuring alternating electric current, in which a single-mode (core diameter 4 μm) optical fiber 8 m long, twisted along the optical axis (
Катушка располагалась непосредственно на образующей одновитковый токоведущий контур высоковольтной арматуре опорного изолятора из стеклопластика с защитной оболочкой из кремнийорганической резины на класс напряжения 110 кВ. Концы катушки из оптического волокна вклеивались в стандартные оптические FC коннекторы (соединители) и были проведены через внутреннюю полость опорного изолятора к фланцу нулевого потенциала.The coil was located directly on a single-turn current-carrying circuit forming a high-voltage armature of a fiberglass support insulator with a protective sheath of silicone rubber for a voltage class of 110 kV. The ends of the coil of optical fiber were glued into standard optical FC connectors (connectors) and were drawn through the internal cavity of the reference insulator to the zero potential flange.
В качестве источника линейного поляризованного излучения использовался одномодовый лазерный диод (λ=660 нм, где λ - длина волны светового излучения). С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступал на расположенные на фланце нулевого потенциала поляризационные делители с углом ориентации относительно друг друга 45°. Интенсивности световых сигналов измерялись фотодиодами, оцифровывались с помощью платы АЦП, обрабатывались на компьютере и выводились на виртуальный самописец.A single-mode laser diode (λ = 660 nm, where λ is the wavelength of light radiation) was used as a source of linear polarized radiation. From the output of the sensing element, the light signal was transmitted to polarization dividers located on the flange of zero potential with an orientation angle of 45 ° relative to each other. The intensities of the light signals were measured by photodiodes, digitized using an ADC board, processed on a computer, and displayed on a virtual recorder.
Выполненные эксперименты показали возможность определения значения измеряемого переменного электрического тока с относительной погрешностью не хуже ±0,5%. В обычных условиях эксплуатации устройства все температурные изменения являются достаточно медленными. В этом случае реализация режима накопления и усреднения результатов позволит значительно повысить точность определения величины смещения "рабочей точки", а значит, уменьшить общую ошибку измерений.The performed experiments showed the possibility of determining the value of the measured alternating electric current with a relative error of no worse than ± 0.5%. Under normal operating conditions of the device, all temperature changes are quite slow. In this case, the implementation of the mode of accumulation and averaging of results will significantly increase the accuracy of determining the magnitude of the displacement of the "working point", and therefore reduce the overall measurement error.
Таким образом, предложенный волоконно-оптический трансформатор тока позволяют повысить точность и стабильность измерений в условиях реальной эксплуатации при воздействии температуры и вибраций. Предложенная конструкция на основе высоковольтного опорного изолятора позволяет создавать трансформаторы тока на все классы напряжения, способные длительно функционировать в условиях сложных метеорологических воздействий. Устройство имеет высокую помехоустойчивость и по своим точностным и функциональным характеристикам может найти широкое применение в области электрических измерений, в частности в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.Thus, the proposed fiber-optic current transformer can improve the accuracy and stability of measurements in actual use when exposed to temperature and vibration. The proposed design based on a high-voltage reference insulator makes it possible to create current transformers for all voltage classes that can operate for a long time under difficult meteorological conditions. The device has high noise immunity and in its accuracy and functional characteristics can be widely used in the field of electrical measurements, in particular in high voltage measurement technology, in the field of relay protection and automation.
В настоящее время в соответствии с заявленным решением разрабатывается конструкторская документация для выпуска волоконно-оптических трансформаторов тока для использования в схеме коммерческого учета электроэнергии и в области релейной защиты на электрических станциях.Currently, in accordance with the stated decision, design documentation is being developed for the production of fiber-optic current transformers for use in the scheme of commercial electricity metering and in the field of relay protection at power plants.
ЛитератураLiterature
1. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Л.В.Жалалис и др. "Трансформаторы тока" - Л.: Энергия, 1980 г.1. Afanasyev V.V., Adonyev N.M., L.V. Zhalalis and others. "Current transformers" - L .: Energy, 1980
2. Патент Германии №19547021, МПК G01 R 15/24, публ. 19.06.97.2. German patent No. 19547021, IPC G01 R 15/24, publ. 06/19/97.
3. Dong X. P., Chu В.С.В. and Chiang К.S. An electric-current sensor employing twisted fibre with compensation for temperature and polarization fluctuations, Meas. Sci. Technol, Vol. 8, pp.606-610, 1997 г.3. Dong X. P., Chu V.S.V. and Chiang K.S. An electric-current sensor employing twisted fiber with compensation for temperature and polarization fluctuations, Meas. Sci. Technol, Vol. 8, pp. 606-610, 1997.
4. Красюк Б.А., Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии. - М.: Радио и связь, 1985, 192 с.4. Krasyuk B.A., Korneev G.I. Optical communication systems and light guide sensors. Technology Issues. - M .: Radio and communications, 1985, 192 p.
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005127887/28A RU2321000C2 (en) | 2005-09-07 | 2005-09-07 | Fiber-optic current transformer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005127887/28A RU2321000C2 (en) | 2005-09-07 | 2005-09-07 | Fiber-optic current transformer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005127887A RU2005127887A (en) | 2007-03-20 |
| RU2321000C2 true RU2321000C2 (en) | 2008-03-27 |
Family
ID=37993686
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005127887/28A RU2321000C2 (en) | 2005-09-07 | 2005-09-07 | Fiber-optic current transformer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2321000C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011079663A1 (en) * | 2009-12-31 | 2011-07-07 | 上海舜宇海逸光电技术有限公司 | Direct current magneto-optic detecting system and method for optical fiber |
| CN103647224A (en) * | 2013-11-14 | 2014-03-19 | 河南平高东芝高压开关有限公司 | All-optical current mutual-inductor device connecting three-phase box-sharing combination electric appliance |
| RU2556704C2 (en) * | 2013-06-28 | 2015-07-20 | Закрытое акционерное общество "Завод электротехнического оборудования" (ЗАО "ЗЭТО") | Single-phase voltage transformer |
| RU2692398C1 (en) * | 2015-07-24 | 2019-06-24 | Сименс Акциенгезелльшафт | Zero-current flow transformer |
| RU2754432C1 (en) * | 2018-01-30 | 2021-09-02 | Сименс Акциенгезелльшафт | Current converter |
| RU2765120C1 (en) * | 2018-11-19 | 2022-01-25 | Сименс Энерджи Глобал Гмбх Унд Ко. Кг | Current transformer module for distribution device and corresponding distribution device |
-
2005
- 2005-09-07 RU RU2005127887/28A patent/RU2321000C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011079663A1 (en) * | 2009-12-31 | 2011-07-07 | 上海舜宇海逸光电技术有限公司 | Direct current magneto-optic detecting system and method for optical fiber |
| US8773119B2 (en) | 2009-12-31 | 2014-07-08 | 3S Hi-Technologies Co., Ltd. | System for fiber DC magneto-optic detection and method thereof |
| RU2556704C2 (en) * | 2013-06-28 | 2015-07-20 | Закрытое акционерное общество "Завод электротехнического оборудования" (ЗАО "ЗЭТО") | Single-phase voltage transformer |
| CN103647224A (en) * | 2013-11-14 | 2014-03-19 | 河南平高东芝高压开关有限公司 | All-optical current mutual-inductor device connecting three-phase box-sharing combination electric appliance |
| CN103647224B (en) * | 2013-11-14 | 2016-01-20 | 河南平芝高压开关有限公司 | A kind of full optical current mutual inductor device connecting Three-phase common-box type combined electric appliance |
| RU2692398C1 (en) * | 2015-07-24 | 2019-06-24 | Сименс Акциенгезелльшафт | Zero-current flow transformer |
| RU2754432C1 (en) * | 2018-01-30 | 2021-09-02 | Сименс Акциенгезелльшафт | Current converter |
| US11391761B2 (en) | 2018-01-30 | 2022-07-19 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Current converter |
| RU2765120C1 (en) * | 2018-11-19 | 2022-01-25 | Сименс Энерджи Глобал Гмбх Унд Ко. Кг | Current transformer module for distribution device and corresponding distribution device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005127887A (en) | 2007-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102159420B1 (en) | Optical sensor | |
| Kanoe et al. | Optical voltage and current measuring system for electric power systems | |
| CN108918940B (en) | All-fiber current mutual inductance system with temperature compensation and method | |
| RU2321000C2 (en) | Fiber-optic current transformer | |
| Samimi et al. | Optical current transducers and error sources in them: A review | |
| US8718418B2 (en) | High voltage AC/DC or DC/AC converter station with fiber-optic current sensor | |
| CA2972935C (en) | Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current | |
| US20110128655A1 (en) | Generator circuit breaker with fiber-optic current sensor | |
| Song et al. | A prototype clamp-on magneto-optical current transducer for power system metering and relaying | |
| Takahashi et al. | Optical current transformer for gas insulated switchgear using silica optical fiber | |
| JPH10185961A (en) | Light current transformer | |
| Bull et al. | A new hybrid current sensor for high-voltage applications | |
| KR100996736B1 (en) | Current transformer for switchgear | |
| Takahashi et al. | Sagnac interferometer-type fibre-optic current sensor using single-mode fibre down leads | |
| Smith | Optical fiber current measurement device at a generating station | |
| Bosselmann | Electric and magnetic field sensing for high-voltage applications | |
| Ferdous et al. | Cable fault detection: optical fiber current sensor cable link noise reduction | |
| RU108633U1 (en) | FIBER OPTICAL SENSITIVE ELEMENT OF STATIONARY PERFORMANCE CURRENT TRANSMITTER | |
| US20220026470A1 (en) | Voltage measuring device and gas-insulated switching apparatus | |
| Temkina et al. | Improvement of Fiber-Optic Current Sensor Technology for Relay Protection and Commercial Metering in Power Grid | |
| JP2000111586A (en) | Current-measuring device | |
| Chatrefou et al. | Interoperability Between Non Conventional Instrument Transformers (NCIT) and Intelligent Electronic Devices (IDE) | |
| KR100319829B1 (en) | Distribution automatic switch measuring with optical sensor | |
| Kurosawa | Development of fiber-optic current sensing technology for electric power systems | |
| Kesri et al. | Latest Trends in Non-Conventional Instrument Transformers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080908 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20101210 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110908 |