RU2438138C1 - Волоконно-оптический трансформатор тока - Google Patents
Волоконно-оптический трансформатор тока Download PDFInfo
- Publication number
- RU2438138C1 RU2438138C1 RU2010138796/28A RU2010138796A RU2438138C1 RU 2438138 C1 RU2438138 C1 RU 2438138C1 RU 2010138796/28 A RU2010138796/28 A RU 2010138796/28A RU 2010138796 A RU2010138796 A RU 2010138796A RU 2438138 C1 RU2438138 C1 RU 2438138C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coils
- current
- measuring
- optical
- optic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Волоконно-оптический трансформатор тока предназначен для измерения действующих значений тока. Заявленное устройство содержит не менее двух токоведущих изолированных проводников, охваченных чувствительными элементами - катушками из оптического волокна, оптически связанные с катушкой средство ввода в их оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средство его деления, входящие в измерительно-преобразовательный блок. Проводники с катушками из оптического волокна заключены в клеммную коробку, катушки имеют различное число витков, выполненное нарастающим итогом, а их входящие и выходящие концы сгруппированы и выведены наружу клеммной коробки. Оптическая связь чувствительных элементов - катушек со средством ввода в оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средством его деления осуществлена посредством соответствующих групп входящих и выходящих концов катушек, соответствующих оптических разветвителей, одного общего многожильного оптоволоконного кабеля и соответствующих оптических соединителей. Алгоритм обработки измерительного сигнала реализован в измерительно-преобразовательном блоке при помощи программного кода, введенного в память микроконтроллера. Технический результат - уменьшение габаритов трансформатора для обеспечения возможности его последующей интеграции в существующие электроэнергетические системы (ЭЭС), возможность эксплуатации одного устройства одновременно на нескольких различных линиях тока, а также удобство и оперативность эксплуатации. 5 ил.
Description
Заявляемое устройство относится к области электротехники, а именно к устройствам для измерения действующих значений тока, и может быть использовано в электрораспределительных и генерирующих сетях переменного и постоянного тока.
Известны конструкции трансформаторов тока, содержащие бумажно-масляную, литую из эпоксидного компаунда и элегазовую изоляции (см. книгу: Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Л.В. Жалалис и др. «Трансформаторы тока» - Л.: Энергия, 1980 г. УДК: 621.314.224, 344 стр.). 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.
Известен трансформатор для измерения тока (по а.с. СССР №1624547, МКИ: Н01F 40/14, 1991), содержащий первичную обмотку, два магнитопровода, датчик магнитного потока, установленный в зазоре одного из магнитопроводов. Кроме того, устройство снабжено двумя компенсационными обмотками, одна из которых охватывает оба магнитопровода, а вторая - магнитопровод с датчиком и соединена с выходом усилителя. Обе компенсационные обмотки соединены через сумматор с токоизмерительным устройством.
Данное устройство имеет сложную конструкцию и необходимость дополнительного экранирования электронной части устройства от магнитного поля измеряемых токов.
Известно устройство (по а.с. СССР №664230, Кл. H01F 40/06, 1979) для измерения тока, применяемое в схемах дифференциальных релейных защит. Это устройство включает первичную обмотку в виде трубы с прорезью и магнитопровод с измерительной обмоткой, размещенной поверх магнитопровода. Устройство подвержено влиянию электромагнитных полей.
Известен волоконно-оптический трансформатор тока по патенту РФ на изобретение №2321000.
Трансформатор включает в себя первичный токоведущий контур, охваченный чувствительным элементом в виде катушки, изготовленной из оптического волокна, оптически связанные с чувствительным элементом посредством двух жил, средство ввода в оптоволокно 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. Чувствительная часть трансформатора расположена на опорном изоляторе для применения в электрораспределительных сетях высокого класса напряжения.
Устройство по патенту РФ №2321000 имеет ряд недостатков: большие габариты (за счет выполнения чувствительной части на громоздкой опорно-изолирующей конструкции), невозможность использования трансформатора одновременно на нескольких линиях, например трехфазного тока.
Устройство предназначено для использования в высоковольтных сетях и включает опорно-изолирующую конструкцию, что делает его применение в электрораспределительных сетях более низкого класса напряжения (в частности, корабельных) практически невозможным из-за больших габаритов конструкции и дефицита окружающего пространства. А применение данного устройства в трехфазных сетях подразумевает установку отдельного трансформатора на каждую фазу. Эти обстоятельства являются основными недостатками данной конструкции волоконно-оптического трансформатора тока по патенту РФ №2321000.
Волоконно-оптический трансформатор тока по патенту РФ №2321000 по технической сущности является наиболее близким аналогом заявленной конструкции трансформатора.
Задача изобретения заключается в уменьшении габаритов трансформатора для обеспечения возможности его последующей интеграции в существующие электроэнергетические системы (ЭЭС), например корабельные, а также в обеспечении универсальности устройства за счет возможности эксплуатации одного устройства одновременно на нескольких различных линиях тока, а также удобстве и оперативности эксплуатации.
Поставленная задача решена посредством того, что в известной конструкции волоконно-оптического трансформатора тока, включающей токоведущий контур - проводник с клеммами, охваченный чувствительным элементом - катушкой из оптического волокна, оптически связанные с катушкой средство ввода в ее оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средство его деления, входящие в измерительно-преобразовательный блок, согласно изобретению выполнены, по крайней мере, два токоведущих проводника, каждый из которых охвачен катушкой, выполненной из оптического волокна, при этом токоведущие проводники изолированы друг от друга и заключены в клеммную коробку, катушки имеют различное число витков, выполненное нарастающим итогом от предыдущей катушки к последующей, а их входящие и выходящие концы, соответственно, сгруппированы и выведены наружу клеммной коробки, причем оптическая связь с катушками средства ввода в оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средства его деления на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие осуществлена посредством оптических соединителей, одного общего многожильного оптоволоконного кабеля, оптических разветвителей и соответствующих групп входящих и выходящих концов катушек, а измерительно-преобразовательный блок снабжен, по крайней мере, одним микроконтроллером, в программную память которого введен программный код алгоритма обработки измеряемых сигналов.
Такое выполнение волоконно-оптического трансформатора позволяет сократить его габариты, благодаря осуществлению оптической связи чувствительных элементов - катушек со средством ввода в оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средством его деления на взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие посредством одного многожильного оптоволоконного кабеля и соответствующих оптических разветвителей и соединителей, что позволяет сократить количество линий связи, а также за счет выполнения токоведущих проводников с чувствительными элементами в компактной клеммной коробке.
Предложенное конструктивное решение волоконно-оптического трансформатора тока позволяет использовать его на линиях с любым напряжением. Конструкция универсальна, позволяет задействовать минимальное количество линий связи и электронных компонентов. При использовании устройства для измерения нескольких фаз тока не потребуется устанавливать на каждую фазу свой трансформатор, как это было бы необходимо в решении-аналоге, благодаря тому, что на каждом проводнике находится чувствительный элемент - катушка, количество витков в которой увеличивается от предыдущей катушки к последующей, что дает возможность использовать меньшее количество волокон в оптоволоконном кабеле и дает возможность применять устройство для нескольких фаз тока, в том числе для трехфазного тока, при использовании одного измерительно-преобразовательного блока, что также положительно сказывается и на габаритных характеристиках.
Компактность конструкции и возможность удаления (разнесения) друг от друга чувствительной части (клеммной коробки) и элементов измерительно-преобразовательного блока, который снабжен микроконтроллером, позволяют обеспечить компоновку, удобство и оперативность эксплуатации устройства в затесненных помещениях ПТС, минимизировать влияние электромагнитных полей.
Устройство пояснено чертежами, где
на фиг.1 - изображена схема конструкции волоконно-оптического трансформатора тока;
на фиг.2 - фиг.5 - изображены различные варианты исполнения клеммной коробки.
Волоконно-оптический трансформатор тока включает клеммную коробку 1, к контактным клеммам 2 которой подключены жилы 3 токоведущего кабеля, которые соответствуют однофазному, двухфазному, трехфазному или постоянному току. Жилы 3 токоведущего кабеля соединены посредством клемм 2 с токоведущими медными проводниками 4 цилиндрической формы, которые заключены в клеммной коробке 1. Проводники 4 разделены между собой изоляционным материалом 5 (материал выбирают в зависимости от класса напряжения и величины действующих токов; резина, пластмасса, керамика). Проводники 4 заканчиваются выходными клеммами 6, имеющимися на клеммной коробке 1, которые соединены с распределительной сетью. Проводники 4 охвачены чувствительными элементами - катушками 7, которые выполнены из оптоволокна и имеют входящие концы К1, К3, К5 и выходящие концы К2, К4, К6, которые выведены из клеммной коробки 1 и объединены в соответствующие группы. Катушки 7 имеют различное число витков, увеличивающееся от предыдущей катушки к последующей и, соответственно, разную длину оптического пути проходящего по ним света.
Различное число витков дает возможность использовать для различных вариантов линий тока, в том числе для трехфазного тока, одно средство ввода 8 поляризованного светового сигнала в оптическое волокно катушек 7 и одно средство деления 10 поляризованного светового сигнала на взаимноортогональные линейно-поляризованные составляющие, которое включает коллимирующую линзу 11, и пару поляризационных делителей 12.
Средство ввода 8 поляризованного светового сигнала и средство деления 10 поляризованного светового сигнала включены в состав измерительно-преобразовательного блока 13, содержащего, так же, фотоприемные устройства 14 и фильтрующее устройство 15. Группе входящих концов катушек 7 - К1, К3, К5 соответствует оптический разветвитель 16, а группе выходящих концов К2, К4, К6 - оптический разветвитель 17. Свет, излучаемый средством ввода 8 поляризованного светового сигнала (например, лазерным диодом с призмой-поляризатором), попадает в оптоволокно катушек 7 через оптический соединитель 18, через одну из жил оптической линии связи 19, которая выполнена в виде одного многожильного оптоволоконного кабеля, далее через оптический разветвитель 16 и далее в катушки 7 через их входящие концы К1, К3, К5. Проходя по виткам катушек 7, свет меняет угол поворота плоскости поляризации, воспринимая действие магнитного поля, создаваемого током, проходящим по токоведущим проводникам 4. Но, благодаря разному числу витков в катушках, свет приходит ко второму разветвителю 17 от выходящих концов К2, К4, К6 катушек 7 по очереди, с задержкой во времени, ввиду разности количества витков катушек 7, а следовательно, и расстояний. Сначала от катушки с меньшим числом витков К1-К2, потом нарастающим итогом от катушки К3-К4, затем от катушки К5-К6. Задержка во времени необходима для четкой работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) - микроконтроллера 20, который введен в измерительно-преобразовательный блок 13. В программную память микроконтроллера 20 введен программный код алгоритма обработки измеряемых сигналов. Микроконтроллер 20 должен успеть обработать каждый сигнал. Задержка во времени, а следовательно, количество витков катушек 7, подобрано, исходя из частоты работы микроконтроллера 20 и диаметра проводников 4.
Далее свет возвращается по другой жиле оптической линии связи 19 и через оптический соединитель 21 поступает в средство деления 10 поляризованного светового сигнала на две пары взаимно ортогональных составляющих. После чего каждая составляющая светового сигнала преобразуется в электрическую в фотоприемных устройствах 14, а затем фильтруется на необходимые составляющие в фильтрующем устройстве 15, далее сигнал поступает на АЦП микроконтроллера 20, в котором по заложенной программе вычисляются действующие значения тока в каждой фазе.
Числа витков, на которые должны увеличиваться последующие оптоволоконные катушки 7, вычисляют следующим образом. Определяют длину одного витка по формуле:
ℓвит=π×dпр, где:
ℓвит - длина одного витка катушки;
dпр - диаметр поперечного сечения токоведущего проводника.
Затем вычисляют минимальное число витков катушки по формуле:
Nвит - минимальное число витков катушки;
ℓдоп - расстояние, необходимое для обеспечения задержки между сигналами;
ℓвит - длина одного витка катушки;
Сстек. - скорость распространения света в стекле (С≈2×108);
f - частота АЦП микроконтроллера;
dпр - диаметр поперечного сечения токоведущего проводника.
По предварительным расчетам клеммная коробка 1, для трехфазной цепи, при диаметре медных проводников 4-5 мм может иметь минимальные габаритные размеры 100×50×10 мм.
Расстояние между клеммной коробкой 1, содержащей чувствительную часть трансформатора и измерительно-преобразовательным блоком 13, ограничено только мощностью (для источника) и чувствительностью (для приемника) приемо-передающей аппаратуры (средство ввода - диод или лазер; фотоприемное устройство). При использовании герметизированного оптоволоконного кабеля чувствительная часть - кабельная коробка и измерительно-преобразовательный и обрабатывающий блок, могут располагаться даже в помещениях с различными показателями атмосферного давления и на значительных расстояниях. Это дает возможность использовать разработанный трансформатор в сетях различного назначения и в различных условиях эксплуатации, например в ПТС.
Волоконно-оптический трансформатор тока работает следующим образом.
При необходимости замера действующих значений тока на средство ввода 8 поступает управляющий сигнал, далее возбуждаемый поляризованный световой сигнал поступает от средства ввода 8 через оптический соединитель 18, по одной из жил оптоволоконного кабеля 19 через оптический разветвитель 16, через входные концы К1, К3, К5 в оптоволокно катушек 7. Проходя по катушкам 7, свет меняет угол поворота плоскости поляризации, воспринимая действие магнитного поля, создаваемого током, проходящим по токоведущим проводникам 4. Но, благодаря разному числу витков в катушках 7, свет приходит ко второму разветвителю 17 от выходящих концов К2, К4, К6 катушек 7 по очереди с задержкой, ввиду разности количества витков катушек 7. Далее свет возвращается по другой жиле оптоволоконного кабеля 19 и через оптический соединитель 21 поступает в средство деления 10 поляризованного светового сигнала на две пары взаимно ортогональных составляющих. Каждая упомянутая составляющая светового сигнала преобразуется в электрический сигнал посредством фотоприемного устройства 14, сигналы усиливаются, фильтруются на необходимые составляющие в фильтрующем устройстве 15 и затем поступают на АЦП микроконтроллера 20, который по заложенной программе считывает действующие значения силы тока на соответствующих электрических линиях и сравнивает их с допустимыми (ориентировочно на получение значений в 3-фазной линии требуется 50 нс), после чего генерирует информационный сигнал, который отправляется потребителям.
Следующий световой сигнал со средства ввода 8 поляризованного светового сигнала поступает только после того, как микроконтроллер 20 отправит соответствующую команду, т.е. после того, как все три предыдущие действующие значения тока будут обработаны.
На основании полученных значений и запрограммированного защитного алгоритма генерируются информационные и управляющие сигналы для системы защиты и управления электрораспределительной сетью.
К одному измерительно-преобразовательному блоку можно подключить несколько чувствительных частей волоконно-оптических трансформаторов тока, т.е. на базе одного микроконтроллера можно осуществлять мониторинг и защиту нескольких электрических линий (до 14). При желании количество контролируемых линий можно увеличить путем ввода дополнительных микроконтроллеров и расширения измерительно-преобразовательного блока 13.
Предложенное конструктивное решение волоконно-оптического трансформатора тока компактно, универсально и экономично, позволяет разместить его в затесненных помещениях, например, подводного технического средства, минимизировать влияние на него электромагнитных полей и использовать его на линиях тока различных фаз, в том числе трехфазного, при этом не потребуется устанавливать на каждую жилу свой трансформатор.
Claims (1)
- Волоконно-оптический трансформатор тока, включающий токоведущий контур - проводник с клеммами, охваченный чувствительным элементом - катушкой из оптического волокна, оптически связанные с катушкой средство ввода в ее оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средство его деления, входящие в измерительно-преобразовательный блок, отличающийся тем, что в нем выполнены, по крайней мере, два токоведущих проводника, каждый из которых охвачен катушкой, выполненной из оптического волокна, при этом токоведущие проводники изолированы друг от друга и заключены в клеммную коробку, катушки имеют различное число витков, выполненное нарастающим итогом от предыдущей катушки к последующей, а их входящие и выходящие концы соответственно сгруппированы и выведены наружу клеммной коробки, причем оптическая связь катушек и средства ввода в оптическое волокно поляризованного светового сигнала и средства его деления осуществлена посредством оптических соединителей, одного общего многожильного оптоволоконного кабеля, оптических разветвителей и соответствующих групп входящих и выходящих концов катушек, а измерительно-преобразовательный блок снабжен, по крайней мере, одним микроконтроллером, в программную память которого введен программный код алгоритма обработки измеряемых сигналов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010138796/28A RU2438138C1 (ru) | 2010-09-20 | 2010-09-20 | Волоконно-оптический трансформатор тока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010138796/28A RU2438138C1 (ru) | 2010-09-20 | 2010-09-20 | Волоконно-оптический трансформатор тока |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2438138C1 true RU2438138C1 (ru) | 2011-12-27 |
Family
ID=45782955
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010138796/28A RU2438138C1 (ru) | 2010-09-20 | 2010-09-20 | Волоконно-оптический трансформатор тока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2438138C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3598149A1 (en) * | 2018-07-19 | 2020-01-22 | Lumiker Aplicaciones Tecnologicas S.L. | Method for measuring the current circulating through at least one conductor with optical fiber-based measuring equipment, and measuring equipment |
-
2010
- 2010-09-20 RU RU2010138796/28A patent/RU2438138C1/ru active IP Right Revival
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3598149A1 (en) * | 2018-07-19 | 2020-01-22 | Lumiker Aplicaciones Tecnologicas S.L. | Method for measuring the current circulating through at least one conductor with optical fiber-based measuring equipment, and measuring equipment |
US10948523B2 (en) | 2018-07-19 | 2021-03-16 | Lumiker Aplicaciones Tecnológicas S.L. | Methods and apparatus for measuring a current |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9774388B2 (en) | Transmission line protection using traveling waves in optical ground wire fiber | |
KR101972935B1 (ko) | 광전기 측정 디바이스 및 전류를 측정하기 위한 방법 | |
CN101449174B (zh) | 具有总和检测的光纤电流传感器 | |
Thomas et al. | Non-conventional instrument transformers enabling digital substations for future grid | |
JPH10185961A (ja) | 光変流器 | |
US9964566B2 (en) | Power line monitoring apparatus and method | |
RU2438138C1 (ru) | Волоконно-оптический трансформатор тока | |
EP3043189B1 (en) | Optical system for identifying faults in mixed power transmission lines | |
RU2321000C2 (ru) | Волоконно-оптический трансформатор тока | |
Ferdous et al. | Cable fault detection: optical fiber current sensor cable link noise reduction | |
RU2597243C1 (ru) | Способ построения и настройки дифференциально-фазной релейной защиты | |
RU2737035C1 (ru) | Способ отыскания жил кабеля или проводов, питающих потребителей | |
US20210181429A1 (en) | Crossarm insulator pin auxiliary mounted passive all fiber electro-optical current sensor | |
RU2439589C1 (ru) | Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения | |
WO2017021709A1 (en) | Current transformer comprising optical modulator and related method | |
CN107621587A (zh) | 一种基于光学电流互感器的接地短路故障判别方法 | |
KR101800360B1 (ko) | 대용량 차단기 전압 건전성 검증을 위한 광전류 변성기 및 그 검증방법 | |
RU136595U1 (ru) | Волоконно-оптический многовитковый чувствительный элемент преобразователя электрического тока оперативного использования (варианты) | |
RU2222103C2 (ru) | Устройство присоединения аппаратуры связи к кабелю электропередачи | |
WO2010119353A1 (en) | Electronic sensor for capturing voltage and current signals from a live wire | |
CN116359579A (zh) | 再入式全光纤电流互感器装置及其电流测量方法 | |
JPS63121758A (ja) | 電気光学効果素子を用いた零相電流測定方法 | |
Serikbayev | Měření napětí a proudů v moderních vysokonapěťových rozvodnách | |
Moghadas et al. | Novel fiber bragg grating sensor applicable for fault detection in high voltage transformers | |
JPS6350761A (ja) | 光フアイバ零相変流器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120921 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130827 |