RU2627987C1 - Optical ac voltage meter in high-voltage networks - Google Patents

Optical ac voltage meter in high-voltage networks Download PDF

Info

Publication number
RU2627987C1
RU2627987C1 RU2016140452A RU2016140452A RU2627987C1 RU 2627987 C1 RU2627987 C1 RU 2627987C1 RU 2016140452 A RU2016140452 A RU 2016140452A RU 2016140452 A RU2016140452 A RU 2016140452A RU 2627987 C1 RU2627987 C1 RU 2627987C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light
prism
polarizer
plane
optical
Prior art date
Application number
RU2016140452A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Пеньковский
Валерий Игоревич Верещагин
Михаил Иванович Филатов
Антон Андреевич Игнатьев
Федор Моисеевич Броун
Светлана Анатольевна Кириллова
Original Assignee
Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" filed Critical Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория"
Priority to RU2016140452A priority Critical patent/RU2627987C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2627987C1 publication Critical patent/RU2627987C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof

Landscapes

  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: meter comprises a light source and a multimode optical fiber, a first polarizer, an active element of the Faraday cell, a second polarizer, which transmission plane makes the angle of ±45° with the polarization plane of the first one, a converging lens, a second multimode optical fiber and a photodetector, as well as a linear amplifier of the photodetector signal, a signal conversion unit, and an indicator of measurement results, installed in series. The active element of the Faraday cell is made in the form of a quadrangular prism of the height h, one pair of side faces of which has a width not less than the diameter D of the collimated light beam, and the opposite side faces have a width of at least 3D, the first prism base on which the light falls is polished, and Its surface in the center is coated with mirror coating in the form of a rectangular strip of the width D, the other base of the prism is divided into three equal rectangular zones, on both sides of the central rectangular zone it contains two polished surfaces with mirror coatings, making angles γ=arctg (0.5D/h) with the central zone plane.
EFFECT: reducting the distortions of the light polarization state, increasing the sensitivity and accuracy of measurements.
4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к поляризационным приборам, в которых используется эффект поворота плоскости поляризации света веществом, находящемся в продольном магнитном поле (эффект Фарадея). Оно может быть использовано в электроэнергетике для измерения переменного тока в высоковольтных сетях.The invention relates to optical instrumentation, and more specifically to polarization devices, which use the effect of rotation of the plane of polarization of light by a substance located in a longitudinal magnetic field (Faraday effect). It can be used in the electric power industry to measure alternating current in high voltage networks.

Для измерения переменного тока в высоковольтных сетях обычно используются электромагнитные трансформаторы тока, представляющие собой первичную обмотку из одного двух витков и вторичную обмотку, состоящую из большого числа витков. Первичная обмотка находится под напряжением сети, а вторичная под нулевым потенциалом земли. Между первичной и вторичной обмотками находится магнитопровод и изоляционный материал, например, из эпоксидного компаунда, масла или элегаза. Главными недостатками традиционных электромагнитных трансформаторов тока являются:To measure alternating current in high voltage networks, electromagnetic current transformers are usually used, which are a primary winding of one two turns and a secondary winding consisting of a large number of turns. The primary winding is energized, and the secondary is at zero ground potential. Between the primary and secondary windings there is a magnetic circuit and insulating material, for example, of epoxy compound, oil or SF6. The main disadvantages of traditional electromagnetic current transformers are:

- высокая вероятность электрического пробоя изоляции между обмотками;- high probability of electrical breakdown of insulation between the windings;

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

- большой расход меди для изготовления катушек.- high consumption of copper for the manufacture of coils.

Перечисленные недостатки можно устранить, если вместо традиционных трансформаторов тока в высоковольтных сетях использовать оптико-электронные измерители тока, в основу которых положено магнитное вращение плоскости поляризации света (магнитооптический эффект Фарадея) [1]. Эти устройства получили название оптико-электронных трансформаторов тока [2]. Основным узлом подобных устройств является активное прозрачное вещество, например, стекло с большой постоянной Вердэ, помещенное в продольное (относительно распространения света) магнитное поле, на входе и выходе которого установлены поляризационные фильтры. Такой узел иногда называют ячейкой Фарадея. Под действием продольных силовых линий магнитного поля фрагмента проводника высоковольтной линии активное вещество приобретает способность вращать плоскость поляризации света на уголThese shortcomings can be eliminated if instead of traditional current transformers in high-voltage networks, optoelectronic current meters are used, which are based on the magnetic rotation of the plane of polarization of light (magneto-optical Faraday effect) [1]. These devices are called optoelectronic current transformers [2]. The main unit of such devices is an active transparent substance, for example, glass with a large Verdet constant, placed in a longitudinal (relative to the propagation of light) magnetic field, at the input and output of which polarizing filters are installed. Such a node is sometimes called a Faraday cage. Under the action of longitudinal magnetic field lines of the high-voltage line conductor fragment, the active substance acquires the ability to rotate the plane of polarization of light by an angle

Figure 00000001
Figure 00000001

где: Н - усредненное значение напряженности продольного магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;where: H is the average value of the longitudinal magnetic field acting on the active element of the Faraday cell;

V - постоянная Вердэ материала активного элемента;V is the Verdet constant of the material of the active element;

L - длина активного элемента;L is the length of the active element;

β - угол между направлением света и направлением силовых линий;β is the angle between the direction of light and the direction of the lines of force;

N - число витков проводника с током;N is the number of turns of the conductor with current;

i - ток, протекаемый по проводнику;i is the current flowing through the conductor;

k - конструктивный коэффициент, учитывающий соотношение длин, сторон сечения проводника и усреднения напряженности магнитного поля в различных его точках.k is a design coefficient that takes into account the ratio of the lengths, sides of the cross section of the conductor and the averaging of the magnetic field strength at its various points.

Измеряя угол поворота плоскости поляризации а, можно определить величину тока i, протекаемого по проводникуBy measuring the angle of rotation of the plane of polarization a, we can determine the magnitude of the current i flowing through the conductor

Figure 00000002
Figure 00000002

где N, k, V и L - постоянные величины для конкретной конструкции ячейки Фарадея.where N, k, V and L are constant values for a particular Faraday cell design.

Известно ряд устройств, у которых в качестве активного вещества ячейки Фарадея используют оптическое волокно.A number of devices are known in which an optical fiber is used as the active substance of a Faraday cell.

Типичным представителем таких известных устройств является токоизмерительная система по патенту США [3], структурная схема которого показана на фиг. 1. Известное устройство содержит источник света 1 и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, соединитель 3, поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5, представляющий собой катушку из оптического одномодового волокна, надетую на фрагмент проводника высоковольтной линии 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, соединитель 8, многомодовое оптическое волокно 9, фотоприемник 10 и электронный блок преобразования сигналов 11. В процессе прохождения тока i по проводнику 6 вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого совпадают с витками оптического одномодового волокна 5 и, следовательно, совпадают с направлением распространения лучей света. Если предположить, что свет после источника 1 не поляризованный, а линейно поляризованный свет после поляризатора 4 в процессе его распространения по волокну 5 не подвергается преобразованиям при многократном полном внутреннем отражении, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10, можно найти применив векторную алгебру из уравненияA typical representative of such known devices is the US Patent Current Meter System [3], a block diagram of which is shown in FIG. 1. The known device comprises a light source 1 and a multimode optical fiber 2, a connector 3, a polarizer 4, an active element of a Faraday cell 5, which is a coil of optical single-mode fiber, worn on a fragment of a conductor of a high-voltage line 6, a second polarizer 7, mounted in series along the rays of the rays the transmission plane of which is ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer 4, connector 8, multimode optical fiber 9, photodetector 10 and electronic signal conversion unit 11. during passage of the current i through the conductor 6 around it a magnetic field, the field lines of which coincide with the windings of the single-mode optical fiber 5, and therefore coincide with the direction of propagation of light rays. If we assume that the light after source 1 is not polarized, but linearly polarized light after polarizer 4 during its propagation through fiber 5 does not undergo transformations with multiple total internal reflection, then the light intensity I perceived by photodetector 10 can be found using vector algebra from the equation

Figure 00000003
Figure 00000003

где:

Figure 00000004
- искомый вектор Стокса;Where:
Figure 00000004
- the desired Stokes vector;

Figure 00000005
Figure 00000005

вектор Стокса неполяризованного света источника 1 интенсивностью I0;Stokes vector of unpolarized light of source 1 of intensity I 0 ;

Figure 00000006
Figure 00000006

матрица преобразования света поляризатором 4;light conversion matrix by polarizer 4;

Figure 00000007
Figure 00000007

матрица преобразования активного элемента ячейки Фарадея (оптического волокна 5);the transformation matrix of the active element of the Faraday cell (optical fiber 5);

Figure 00000008
Figure 00000008

матрица преобразования света поляризатором 7.light conversion matrix polarizer 7.

После перемножения матриц находим первый параметр Стокса, пропорциональный интенсивности света.After multiplying the matrices, we find the first Stokes parameter proportional to the light intensity.

Figure 00000009
Figure 00000009

По проводнику 6 протекает переменный ток с частотой ω=50 Гц, следовательно, фотоприемник 10 воспринимает свет, изменяющийся по закону.An alternating current with a frequency of ω = 50 Hz flows through conductor 6, therefore, the photodetector 10 senses light that varies according to the law.

Figure 00000010
Figure 00000010

где ω - частота переменного тока, αmax - максимальный угол поворота плоскости поляризации света, соответствующий моменту максимального тока. Из этого уравнения видно, что в отсутствии тока i, когда α=0, интенсивность света I=0,25I0 и в спектре сигнала фотоприемника 10 присутствует только постоянная составляющая U==0,25I0 и отсутствует переменная составляющая частоты сети ω. При протекании переменного тока по проводнику 6 в спектре сигнала фотоприемника 10 появляется переменная составляющаяwhere ω is the frequency of the alternating current, α max is the maximum angle of rotation of the plane of polarization of light, corresponding to the moment of maximum current. From this equation it is seen that in the absence of current i, when α = 0, the light intensity I = 0.25I 0 and in the spectrum of the signal of the photodetector 10 there is only a constant component U = = 0.25I 0 and there is no variable component of the network frequency ω. When AC flows through conductor 6, a variable component appears in the spectrum of the photodetector 10

Figure 00000011
Figure 00000011

Блок преобразования сигналов 11 вычисляет отношение

Figure 00000012
, что является мерой угла α, по которому находят искомый ток i в проводнике 6. Известно, что в процессе прохождения поляризованного света через оптическое многомодовое волокно в результате многократного хаотического полного внутреннего отражения на границе контакта сердцевины и оболочки волокна происходит преобразование линейно поляризованного света, смешивание различных состояний поляризации, что приводит к частичной или полной деполяризации света. Поэтому многомодовое оптическое волокно непригодно для использования его в качестве активного элемента ячейки Фарадея. Оптические волокна под названием «Панда» или «Галстук-бабочка» так же мало пригодны из-за сильного двулучепреломления. В известных оптических трансформаторах тока в качестве активного элемента ячейки Фарадея часто применяют одномодовое оптическое волокно 5 (диаметр волокна 4 мкм), в котором угол падения при полном внутреннем отражении близок к 90° и в процессе распространения в нем поляризованного света его состояние поляризации изменяется меньше. Такое оптическое волокно можно представить в виде набора фазовых пластинок, вносящих небольшую разность фаз δ, главные оси которых хаотически расположены по отношению к плоскости поляризации света, проходящего по волокну. В результате происходит частичная деполяризация света с коэффициентом деполяризации Δp.The signal conversion unit 11 calculates the ratio
Figure 00000012
which is a measure of the angle α at which the desired current i is found in conductor 6. It is known that during the passage of polarized light through an optical multimode fiber as a result of multiple random total internal reflection at the interface between the core and the fiber sheath, linearly polarized light is converted, mixing different states of polarization, which leads to partial or complete depolarization of light. Therefore, a multimode optical fiber is unsuitable for use as an active element of a Faraday cell. Optical fibers called "Panda" or "Bow Tie" are also of little use due to strong birefringence. In the known optical current transformers, a single-mode optical fiber 5 (fiber diameter 4 μm) is often used as the active element of the Faraday cell, in which the angle of incidence at total internal reflection is close to 90 ° and its polarization state changes less during the propagation of polarized light in it. Such an optical fiber can be represented as a set of phase plates introducing a small phase difference δ, the main axes of which are randomly located with respect to the plane of polarization of the light passing through the fiber. As a result, partial depolarization of light occurs with a depolarization coefficient Δp.

Следовательно, ячейку Фарадея с активным элементом в виде одномодового волокна 5 можно представить матрицей преобразованияTherefore, a Faraday cell with an active element in the form of a single-mode fiber 5 can be represented by a transformation matrix

Figure 00000013
Figure 00000013

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

После повторного перемножения матриц преобразования элементов схемы 1-5 (фиг. 1) находимAfter repeated multiplication of the transformation matrices of the elements of the circuit 1-5 (Fig. 1) we find

Figure 00000014
Figure 00000014

Блок преобразования сигналов 9 определяет отношениеThe signal conversion unit 9 determines the ratio

Figure 00000015
Figure 00000015

а затем искомый ток i в проводнике 4:and then the desired current i in conductor 4:

Figure 00000016
Figure 00000016

Из уравнения (14) видно, что частичная деполяризация света Δp напрямую влияет на величину угла вращения плоскости поляризации α и, следовательно, на результат измерения тока i. Кроме того, эффект деполяризации уменьшает динамический диапазон измерений.It is seen from equation (14) that the partial depolarization of light Δp directly affects the angle of rotation of the plane of polarization α and, therefore, the result of measuring the current i. In addition, the effect of depolarization reduces the dynamic range of measurements.

Более совершенным и близким аналогом по отношению к предлагаемому оптическому трансформатору тока является магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 [4], структурная схема которого показана на фиг. 2. Преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 содержит источник света 1 (фиг. 2) и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, коллиматор 3, первый поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырех стеклянных призм 5 типа АР-180°, охватывающих по кругу проводник с током 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, приемное устройство в виде собирающей линзы 8, второго оптического многомодового волокна 9, фотоприемника 10 и блок преобразования сигналов 11. Отличительными особенностями конструкции преобразователя является то, что четыре призмы 5 типа АР-180° расположены последовательно по ходу распространения света выполненных из стекла и образуют замкнутый контур вокруг проводника 6 с током. Для удобства ввода и вывода коллимированого пучка света торцы первой и последней призм дополнены клиньями 12, 13. Между клином 12 и первой призмой 5 вклеен первый поляризатор 4, а между клином 13 и последней призмой 5 вклеен второй поляризатор 7. Плоскость пропускания поляризатора 7 составляет угол ±45° с плоскостью пропускания поляризатора 4. Торец оптического волокна 2 установлен в фокальной плоскости коллиматора 3, а торец второго оптического волокна 9 находится в фокальной плоскости собирающей линзы 8. Блок преобразования сигналов 11 содержит источник питания, линейный усилитель сигнала фотоприемника 10 и схему обработки сигнала. Известный магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 работает следующим образом. Свет от источника 1 (фиг. 2) с помощью многомодового оптического волокна 2 передается в фокальную плоскость коллиматора 3. Далее свет в виде расходящегося пучка падает на линзу 3, после нее становится коллимированным, проходит первый поляризатор 4, становится линейно поляризованным и проходит последовательно призмы 5. Если тока в проводнике 6 нет, а все призмы свободны от механических нагрузок, выполнены из одного сорта стекла и их главные сечения попарно взаимно ортогональны, то линейно поляризованный свет, претерпевая полное внутреннее отражение, последовательно переходит с одной призмы в другую с сохранением азимута поляризации, соответствующего азимуту пропускания первого поляризатора 4. Азимут пропускания второго поляризатора 7 отличается от азимута первого поляризатора 4 на угол ±45°. Поэтому интенсивность света I после поляризатора 7 равна I=0,25I0, где I0 - интенсивность света, падающего на первый поляризатор 4. Весь этот пучок света собирается линзой 8 на торце многомодового оптического волокна 9 и по нему передается на фотоприемник 10.A more perfect and close analogue to the proposed optical current transformer is the magneto-optical measuring transformer of alternating current MPR-ME-5 [4], the structural diagram of which is shown in FIG. 2. The MPR-ME-5 alternating current converter contains a light source 1 (Fig. 2) and a multimode optical fiber 2, a collimator 3, a first polarizer 4, an active element of a Faraday cell made in the form of four glass prisms of type 5 installed in series along the rays AR-180 °, covering in a circle a conductor with current 6, a second polarizer 7, the transmission plane of which is ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer 4, a receiving device in the form of a collecting lens 8, the second optical multimode fiber 9, photodetector Single unit 10 and signal converting 11. Distinctive design features converter is that the four prisms 5 type AR-180 ° are arranged in series along the light propagation formed of glass and form a loop around a conductor 6 with a current. For the convenience of introducing and outputting a collimated beam of light, the ends of the first and last prisms are supplemented by wedges 12, 13. Between the wedge 12 and the first prism 5, the first polarizer 4 is pasted, and between the wedge 13 and the last prism 5 the second polarizer is pasted 7. The transmission plane of the polarizer 7 makes an angle ± 45 ° with the transmission plane of the polarizer 4. The end face of the optical fiber 2 is installed in the focal plane of the collimator 3, and the end face of the second optical fiber 9 is located in the focal plane of the collecting lens 8. The signal conversion unit 11 contains Tocnik power linear amplifier of the photodetector 10 and the signal processing circuit of the signal. Known magneto-optical measuring transducer of alternating current MPR-ME-5 operates as follows. The light from the source 1 (Fig. 2) is transmitted through the multimode optical fiber 2 to the focal plane of the collimator 3. Then the light in the form of a diverging beam falls on the lens 3, after it becomes collimated, the first polarizer 4 passes, becomes linearly polarized and passes through the prisms in series 5. If there is no current in the conductor 6, and all the prisms are free from mechanical loads, are made of the same type of glass and their main sections are mutually orthogonal in pairs, then linearly polarized light, undergoing total internal reflection The sequence passes from one prism to another while maintaining the polarization azimuth corresponding to the transmission azimuth of the first polarizer 4. The transmission azimuth of the second polarizer 7 differs from the azimuth of the first polarizer 4 by an angle of ± 45 °. Therefore, the light intensity I after polarizer 7 is equal to I = 0.25I 0 , where I 0 is the intensity of light incident on the first polarizer 4. All this light beam is collected by lens 8 at the end of the multimode optical fiber 9 and transmitted through it to the photodetector 10.

Если по проводнику 6 протекает переменный ток i=imaxsinωt, где imax - амплитуда тока, ω=50 Гц - частота сети, то вокруг него создается переменное магнитное поле, магнитные силовые линии которого пронизывают призмы 5 и продольная составляющая этих силовых линий создает эффект поворота плоскости поляризации света на уголIf alternating current i = i max sinωt flows through conductor 6, where i max is the current amplitude, ω = 50 Hz is the network frequency, then an alternating magnetic field is created around it, magnetic field lines of which penetrate prisms 5 and the longitudinal component of these field lines creates the effect of rotation of the plane of polarization of light by an angle

Figure 00000017
Figure 00000017

Фотоприемник 10 и предварительный усилитель блока 11 работают в линейном режиме. Поэтому кроме постоянной составляющей U= в спектре сигнала присутствует переменная составляющаяThe photodetector 10 and the preamplifier of block 11 operate in a linear mode. Therefore, in addition to the constant component U = , a variable component is present in the signal spectrum

Figure 00000018
Figure 00000018

которая пропорциональна величине переменного тока i в проводнике 6. Блок преобразования сигналов вычисляет отношениеwhich is proportional to the magnitude of the alternating current i in conductor 6. The signal conversion unit calculates the ratio

Figure 00000019
Figure 00000019

угол поворота плоскости поляризации α и искомый ток i, протекаемый по проводнику 6. По сравнению с рассмотренной выше токоизмерительной системой (фиг. 1) [3], у которой в качестве активного элемента ячейки Фарадея используется оптическое волокно, в данном устройстве (фиг. 2) применение четырех призм типа АР-180° позволило сохранить степень поляризации света в процессе его прохождения через призмы и тем самым повысить точность и динамический диапазон преобразования тока. Призмы 5 размещены так, что главное сечение последующей призмы находится под углом 90° к главному сечению предыдущей призмы. Поэтому разность фаз δ между компонентами поляризованного света, полученная в процессе полного внутреннего отражения в предыдущей призмеthe angle of rotation of the plane of polarization α and the desired current i flowing through conductor 6. Compared with the current-measuring system (Fig. 1) [3] considered above, in which an optical fiber is used as the active element of the Faraday cell, in this device (Fig. 2 ) the use of four prisms of the type AP-180 ° allowed to preserve the degree of polarization of light during its passage through the prisms and thereby increase the accuracy and dynamic range of current conversion. Prisms 5 are placed so that the main section of the subsequent prism is at an angle of 90 ° to the main section of the previous prism. Therefore, the phase difference δ between the components of polarized light obtained in the process of total internal reflection in the previous prism

Figure 00000020
Figure 00000020

где α=45°, а n - показатель преломления призм 5, полностью компенсируется в результате полного внутреннего отражения в последующей призме. Однако, известный магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока МПР-МЭ-5 также имеет ряд существенных недостатков.where α = 45 °, and n is the refractive index of prisms 5, is fully compensated as a result of total internal reflection in the subsequent prism. However, the known magneto-optical measuring transducer of alternating current MPR-ME-5 also has a number of significant disadvantages.

Во-первых, в данном известном устройстве не эффективно используется магнитное поле возникающее вокруг проводника 6 с током i. Из чертежа (фиг. 2) видно, что в каждой из призм 5 свет распространяется по прямой составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии вокруг проводника 6 имеют форму концентрических колец. Причем, напряженность магнитного поля Н у поверхности проводника наибольшая, а с увеличением радиуса r кольца убывает по законуFirstly, in this known device, the magnetic field arising around the conductor 6 with current i is not effectively used. From the drawing (Fig. 2) it is seen that in each of the prisms 5, the light propagates in a straight line making up the trajectory of the quadrangle, and the lines of force around the conductor 6 are in the form of concentric rings. Moreover, the magnetic field H at the surface of the conductor is greatest, and with increasing radius r of the ring decreases according to the law

Figure 00000021
Figure 00000021

Поэтому в зоне центральной части каждой призмы 5 напряженность поля Н наибольшая, а у концов призм существенно меньшая. К тому же, у концов призм направление силовых линий поля и направление света существенно различается, составляя между собой угол β, от которого зависит эффект поворота плоскости поляризации согласно закона ФарадеяTherefore, in the zone of the central part of each prism 5, the field strength H is greatest, and at the ends of the prisms substantially less. In addition, at the ends of the prisms, the direction of the field lines of the field and the direction of light are significantly different, making up the angle β, on which the effect of rotation of the plane of polarization depends according to the Faraday law

Figure 00000022
Figure 00000022

На участках перехода света от одной призмы к другой лучи двигаются параллельно проводнику, то есть, перпендикулярно плоскостям колец магнитных силовых линий и не вносят никакого вклада в эффект Фарадея. Таким образом, линейно поляризованный свет проходит большой путь в стекле, а эффективность использования продольного магнитного поля проводника не высока. Главное, что у данной конструкции устройства нет никаких перспектив увеличить эту эффективность.In the areas of the transition of light from one prism to another, the rays move parallel to the conductor, that is, perpendicular to the planes of the rings of magnetic lines of force and do not make any contribution to the Faraday effect. Thus, linearly polarized light travels a long way in the glass, and the efficiency of using the longitudinal magnetic field of the conductor is not high. The main thing is that this device design has no prospects to increase this efficiency.

Во-вторых, на базе данного известного преобразователя сложно создать универсальное компактное устройство, например для открытых высоковольтных подстанций. Показанная на фиг. 2 конструкция устройства хрупкая и для использования его на открытых высоковольтных подстанциях требует существенной доработки для обеспечения жестокости, защиты от осадков и воздействия температур от -35 до +60°С (ГОСТ 12997 (Р52931), группа С4.Secondly, on the basis of this well-known converter it is difficult to create a universal compact device, for example for open high-voltage substations. Shown in FIG. 2, the design of the device is fragile and for its use in open high-voltage substations requires substantial refinement to ensure cruelty, protection against precipitation and exposure to temperatures from -35 to + 60 ° C (GOST 12997 (P52931), group C4.

Предлагается новый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях свободный от упомянутых недостатков.A new optical meter for alternating current in high-voltage networks is proposed, free from the mentioned drawbacks.

Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях содержит источник света, многомодовое оптическое волокно, торец которого находится в фокальной плоскости коллимирующей линзы, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью поляризации первого поляризатора, собирающая линза, второе многомодовое оптическое волокно и фотоприемник, а также линейный усилитель сигнала фотоприемника, блок преобразования сигналов и индикатор результатов измерений. Активный элемент ячейки Фарадея выполнен из стекла с высоким значением постоянной Вердэ в виде четырехугольной стеклянной призмы и находится в продольном по отношению к направлению света магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током высоковольтной сети. Четырехугольная стеклянная призма выполнена высотой h, одна пара боковых граней которой имеет ширину не менее диаметра D коллимированного пучка света после коллиматора, а противоположные боковые грани имеют ширину не менее 3D. Первое основание призмы, на которое падает свет от коллиматора, полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольника, ширина которого равна D. Другое основание четырехугольной призмы разделено на три прямоугольные зоны, по обе стороны от центральной прямоугольной зоны содержатся две полированные поверхности с зеркальными покрытиями, составляющие с плоскостью центральной зоны углыAn optical AC meter in high voltage networks contains a light source, a multimode optical fiber, the end of which is in the focal plane of the collimating lens, the first polarizer, the active element of the Faraday cell, the second polarizer, the transmission plane of which is ± 45 ° with the polarization plane of the first polarizer, collecting a lens, a second multimode optical fiber and a photodetector, as well as a linear amplifier of the photodetector signal, a signal conversion unit and a result indicator measurements. The active element of the Faraday cage is made of glass with a high Verdet constant in the form of a quadrangular glass prism and is located in the longitudinal magnetic field relative to the direction of light created by a fragment of a conductor with a high-voltage network current. A quadrangular glass prism is made of height h, one pair of side faces of which has a width of at least the diameter D of the collimated light beam after the collimator, and the opposite side faces have a width of at least 3D. The first base of the prism onto which the light from the collimator is incident is polished and a mirror-like coating is applied in the center in the form of a rectangle whose width is D. The other base of the quadrangular prism is divided into three rectangular zones, two polished on both sides of the central rectangular zone surfaces with mirror coatings making angles with the plane of the central zone

Figure 00000023
Figure 00000023

где D - диаметр пучка света, a h - высота четырехугольной призмы.where D is the diameter of the light beam, and h is the height of the quadrangular prism.

Как вариант исполнения, поляризаторы выполнены в виде поляроидных пленок и наклеены на первое основание по обе стороны его центральной зеркальной зоны, причем так, что плоскость пропускания первого поляризатора параллельна одной из боковых граней четырехугольной призмы активного элемента ячейки Фарадея.As an embodiment, the polarizers are made in the form of polaroid films and are glued to the first base on both sides of its central mirror zone, so that the transmission plane of the first polarizer is parallel to one of the side faces of the quadrangular prism of the active element of the Faraday cup.

Между коллимирующей линзой и первым поляризатором, а также между вторым поляризатором и собирающей линзой установлены призмы АР-180°.Between the collimating lens and the first polarizer, as well as between the second polarizer and the collecting lens, prisms AP-180 ° are installed.

На фиг. 1 показана структурная схема известной токоизмерительной системы по патенту США №3605013, G01R 15/24 [3].In FIG. 1 shows a block diagram of a known current-measuring system according to US patent No. 3605013, G01R 15/24 [3].

На фиг. 2 показана структурная схема известного магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока и импульсного тока МПР-МЭ-5 [4].In FIG. 2 shows a block diagram of a known magneto-optical measuring transducer of alternating current and pulse current MPR-ME-5 [4].

На фиг. 3 показана структурная схема предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях.In FIG. 3 shows a structural diagram of the proposed optical meter of alternating current in high voltage networks.

На фиг. 4 показана конструкция активного элемента ячейки Фарадея.In FIG. 4 shows the design of the active element of a Faraday cage.

На фиг. 5 показана конструкция монолитного унифицированного блока ячейки Фарадея в варианте использования призм АР-180°.In FIG. 5 shows the design of a monolithic unified block of a Faraday cell in the use case of prisms AP-180 °.

Предлагаемый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях (фиг. 3) содержит источник света 1, например, в виде высокоинтенсивного светодиода и установленные последовательно по ходу лучей многомодовое оптическое волокно 2, торец которого находится в фокальной плоскости установлено за ним коллимирующей линзы 3, первый поляризатор 4, активный элемент ячейки Фарадея 5, выполненный из стекла с высоким значением постоянной Вердэ, находящийся в продольном по отношению к направлению света магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника (шины) с током высоковольтной сети 6, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 4, собирающая линза 8, второе многомодовое оптическое волокно 9, фотоприемник 10. Фотоприемник 10 подключен к линейному усилителю, который находится в блоке преобразования сигналов 11. Активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной призмы 5 (фиг. 4) высотой h из стекла с высокой постоянной Вердэ, например из стекла марки ТФ5. Одна пара боковых граней призмы 5 имеет ширину не менее диаметра D коллимированного пучка света после линзы 3, например, ширину C=D+2 мм. Противоположные боковые грани имеют ширину не менее 3D, например Е=3D+2 мм. Первое основание 12 призмы 5, на которое падает свет, полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие 13 в виде прямоугольной полосы шириной D. Другое основание 14 четырехугольной стеклянной призмы 5 разделено на три равные прямоугольные зоны 15, 16, 17. По обе стороны от центральной прямоугольной зоны 16 содержатся две полированные поверхности 15 и 17 с зеркальными покрытиями, которые составляют с плоскостью центральной зоны 16 одинаковые углыThe proposed optical meter of alternating current in high-voltage networks (Fig. 3) contains a light source 1, for example, in the form of a high-intensity LED and multimode optical fiber 2 arranged sequentially along the rays, the end face of which is in the focal plane, a collimating lens 3 is installed behind it, the first polarizer 4, the active element of the Faraday cage 5, made of glass with a high value of the Verdet constant, located in the magnetic field longitudinal with respect to the direction of light created by the fragment a conductor (bus) with a high-voltage network current 6, a second polarizer 7, the transmission plane of which is an angle of ± 45 ° with the transmission plane of the first polarizer 4, a collecting lens 8, a second multimode optical fiber 9, a photodetector 10. Photodetector 10 is connected to a linear amplifier, which is located in the signal conversion unit 11. The active element of the Faraday cell is made in the form of a quadrangular prism 5 (Fig. 4) with a height h of glass with a high Verdet constant, for example, of TF5 glass. One pair of side faces of prism 5 has a width of at least the diameter D of the collimated light beam after lens 3, for example, a width of C = D + 2 mm. Opposite side faces have a width of at least 3D, for example E = 3D + 2 mm. The first base 12 of the prism 5, on which light is incident, is polished and a mirror coating 13 in the form of a rectangular strip of width D is applied on the center surface of the prism. The other base 14 of the quadrangular glass prism 5 is divided into three equal rectangular zones 15, 16, 17. On both the sides of the central rectangular zone 16 contains two polished surfaces 15 and 17 with mirror coatings that make up the same angles with the plane of the central zone 16

Figure 00000024
Figure 00000024

где: D - диаметр коллимированного пучка света; h - высота четырехугольной призмы.where: D is the diameter of the collimated beam of light; h is the height of the quadrangular prism.

Все оптические элементы показанной на фиг. 3 схемы закреплены в монолитном корпусе 18 из диэлектрического материала.All optical elements shown in FIG. 3 circuits are fixed in a monolithic casing 18 of dielectric material.

Как вариант исполнения предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях с целью уменьшения потерь света и повышения точности измерения тока поляризаторы 4 и 7 (фиг. 5) наклеены на первое основание 12 четырехугольной призмы 5 по обе стороны его центральной зоны 13, причем так, что плоскость пропускания первого поляризатора 4 параллельна одной из боковых граней четырехугольной призмы 5, то есть, плоскость пропускания поляризатора 4 параллельна либо перпендикулярна плоскости падения света на зеркальные поверхности 15, 17 призмы 5. Для достижения компактности и универсальности применения оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях различных классов между коллимирующей линзой 3 (фиг. 5) и первым поляризатором 4, а также между вторым поляризатором 7 и собирающей линзой 8 установлены призмы 19, 20 типа АР-180°. Оптические волокна 2, 9 коллиматорная 3 и собирающая 8 линзы, призмы 19, 20 АР-180°, поляризаторы 4, 7 и четырехугольная стеклянная призма 5 закреплены в монолитном корпусе 18 (фиг. 5) из диэлектрического материала, например, из стеклопластика и имеет форму цилиндра.As an embodiment of the proposed optical AC meter in high voltage networks, in order to reduce light loss and improve current measurement accuracy, the polarizers 4 and 7 (Fig. 5) are glued to the first base 12 of the quadrangular prism 5 on both sides of its central zone 13, so that the transmission plane of the first polarizer 4 is parallel to one of the side faces of the quadrangular prism 5, that is, the transmission plane of the polarizer 4 is parallel or perpendicular to the plane of incidence of light on the mirror surface 1 5, 17 of the prism 5. To achieve compactness and universality of the use of an optical AC meter in high voltage networks of various classes between the collimating lens 3 (Fig. 5) and the first polarizer 4, and also between the second polarizer 7 and the collecting lens 8, prisms 19, 20 are installed type AR-180 °. Optical fibers 2, 9 collimator 3 and collecting 8 lenses, prisms 19, 20 AR-180 °, polarizers 4, 7 and a quadrangular glass prism 5 are fixed in a monolithic body 18 (Fig. 5) of a dielectric material, for example, fiberglass and has cylinder shape.

Работу предлагаемого оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях можно проиллюстрировать на примере структурной схемы, показанной на фиг. 3, когда фрагмент проводника высоковольтной сети 6 выполнен в виде плоской шины. Свет от источника 1 по многомодовому оптическому волокну 2 передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 3. Вышедший из оптического волокна 2 расходящийся пучок света преобразуется линзой 3 в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор 4 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого ψ параллелен одной из боковых граней, например широкой грани, т.е. ψ=0 по отношению плоскости падения света на поверхности 15, 13 и 17 призмы 5. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную четырехугольную призму 5, и под углом γ отражается от зеркальной поверхности 15, второй раз проходит призму 5, под таким же углом γ отражения от зеркальной поверхности 13, третий раз проходит призму 5, также под углом γ отражается от зеркальной поверхности 17, проходит в четвертый раз призму 5, проходит второй поляризатор 7 и линзой 8 собирается на торце оптического волокна 9. Далее свет попадает на фотоприемник 10.The operation of the proposed optical AC meter in high voltage networks can be illustrated by the example of the structural diagram shown in FIG. 3, when the conductor fragment of the high voltage network 6 is made in the form of a flat bus. The light from the source 1 is transmitted through the multimode optical fiber 2 to the focal plane of the collimating lens 3. The diverging light beam emerging from the optical fiber 2 is converted by the lens 3 into a collimated beam with a diameter D. Next, the light passes through the first polarizer 4 and becomes linearly polarized, the polarization azimuth of which ψ is parallel one of the side faces, for example a wide face, i.e. ψ = 0 with respect to the plane of incidence of light on the surfaces 15, 13 and 17 of prism 5. A linearly polarized collimated light beam passes through a glass quadrangular prism 5, and at an angle γ is reflected from a mirror surface 15, a second time passes through a prism 5, at the same angle γ reflection from the mirror surface 13, a third time passes through a prism 5, is also reflected at an angle γ from a mirror surface 17, passes a fourth time through a prism 5, a second polarizer 7 passes, and a lens 8 is collected at the end of the optical fiber 9. Next, the light enters the photoprint emnik 10.

В качестве примера рассмотрим случай, когда призма 5 выполнена из стекла ТФ5 (n1=1,755), а зеркальным покрытием на поверхностях 15, 17 призмы 5 является например, напыленный алюминий, обладающий показателем преломления n2=0,93 и показателем поглощения

Figure 00000025
. Тогда отражательную систему стекло-алюминий можно представить комплексным показателем преломления [4]As an example, consider the case when the prism 5 is made of TF5 glass (n 1 = 1.755), and the mirror coating on the surfaces 15, 17 of the prism 5 is, for example, sprayed aluminum with a refractive index of n 2 = 0.93 and an absorption index
Figure 00000025
. Then the glass-aluminum reflective system can be represented by a complex refractive index [4]

Figure 00000026
Figure 00000026

где n=n2/n1=0,93/1,75=0,5299 - относительный показатель преломления; а по воздействию на поляризованный свет матрицей преобразования фазовой пластинки и ротатора [5]where n = n 2 / n 1 = 0.93 / 1.75 = 0.5299 is the relative refractive index; and on the effect on polarized light by the transformation matrix of the phase plate and rotator [5]

Figure 00000027
Figure 00000027

где: R=0,91 - коэффициент отражения света границей стекло-алюминий;where: R = 0.91 - light reflectance by the glass-aluminum boundary;

Figure 00000028
- азимут преимущественной поляризации света;
Figure 00000028
- azimuth of preferential polarization of light;

⎥R⎪⎪⎢ и ⎥R⊥⎢ - модули комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света;⎥R ⎪⎪ ⎢ and ⎥R ⊥ ⎢ are the moduli of complex reflection coefficients for the parallel and perpendicular components of polarized light;

δ - разность фаз между составляющими поляризованного света.δ is the phase difference between the components of polarized light.

В данном примере плоскость поляризации света падающего на границу стекло-алюминий совпадает с плоскостью падения (параллельна широкой грани призмы 5), то ⎥R⊥⎢=0, а ⎥R⎪⎪⎢=1. После подстановок в уравнения находим новый вид матрицы преобразованияIn this example, the plane of polarization of light incident on the glass-aluminum interface coincides with the plane of incidence (parallel to the broad face of prism 5), then ⎥R ⊥ ⎢ = 0, and ⎥R ⎪⎪ ⎢ = 1. After substituting into the equations, we find a new kind of transformation matrix

Figure 00000029
Figure 00000029

которая характеризует границу стекло-алюминий как изотропную систему с коэффициентом отражения R.which characterizes the glass-aluminum interface as an isotropic system with a reflection coefficient R.

Если ток i по шине 6 (фиг. 3) не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 5 нет механических, термических воздействий, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10 равна первому параметру Стокса, который находится из уравненияIf the current i through bus 6 (Fig. 3) does not pass and there is no magnetic field, and there are no mechanical, thermal effects on the prism 5, then the light intensity I perceived by the photodetector 10 is equal to the first Stokes parameter, which is found from the equation

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
Figure 00000031

После перемножения матриц находимAfter multiplying the matrices, we find

Figure 00000032
Figure 00000032

Если по шине 6 протекает переменный ток i=imaxsinωt частоты сети ω=50 Гц, то призму 5 можно представить матрицей ротатораIf alternating current i = i max sinωt of the mains frequency ω = 50 Hz flows through bus 6, then prism 5 can be represented by a rotator matrix

Figure 00000033
Figure 00000033

где αmax=HmaxVLcosβ - максимальное значение угла поворота плоскости поляризации. В этом случае после перемножения матриц находимwhere α max = H max VLcosβ is the maximum value of the angle of rotation of the plane of polarization. In this case, after multiplying the matrices, we find

Figure 00000034
Figure 00000034

Неизбежные потери света при формировании рабочего пучка (диафрагмирование, виньетирование, поглощение и т.п.) учитываем постоянным конструктивным коэффициентом k.The inevitable loss of light during the formation of the working beam (aperture, vignetting, absorption, etc.) is taken into account by a constant design coefficient k.

Таким образом, фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностьюThus, the photodetector 10 perceives light intensity

Figure 00000035
Figure 00000035

и преобразует его в электрический сигналand converts it into an electrical signal

Figure 00000036
Figure 00000036

который после усилителя формируется в виде постоянной составляющей U==U0 и переменной составляющей

Figure 00000037
. Блок формирования сигналов 11 вычисляет отношениеwhich after the amplifier is formed in the form of a constant component U = = U 0 and a variable component
Figure 00000037
. The signal conditioning unit 11 calculates the ratio

Figure 00000038
Figure 00000038

а затем искомый ток i, протекаемый по проводнику 5, по формулеand then the desired current i flowing through the conductor 5, according to the formula

Figure 00000039
Figure 00000039

где N - число витков соленоида 6;where N is the number of turns of the solenoid 6;

К и L - постоянная Вердэ и длина пути света в призме 5;K and L are the Verde constant and the path length of light in prism 5;

М - коэффициент, характеризующий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля шины 6. Измеренная величина тока i индицируется на цифровом табло блока преобразования сигналов 11 и транслируется внешним устройствам с помощью интерфейса RS-232C либо RS-485. Предлагаемый оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях имеет ряд преимуществ по сравнению с известными подобными устройствами.M is a coefficient characterizing the efficiency of using the longitudinal component of the magnetic field of the bus 6. The measured current i is displayed on the digital display of the signal conversion unit 11 and transmitted to external devices using the RS-232C or RS-485 interface. The proposed optical meter of alternating current in high-voltage networks has several advantages compared with known similar devices.

Во-первых, предлагаемый активный элемент ячейки Фарадея из оптического стекла в форме четырехугольной призмы свободен от искажений состояния поляризации света, поскольку в промежутке между поляризаторами нет условий для изменения разности фаз между параллельной и перпендикулярной к плоскости падения составляющими поляризованного света. Таким образом, в отличие от известных устройств в активном элементе не происходит явление деполяризации и не происходит сужения динамического диапазона и снижения точности измерения тока в высоковольтной сети.Firstly, the proposed active element of a Faraday cell made of optical glass in the form of a quadrangular prism is free from distortion of the state of polarization of light, since there are no conditions in the gap between polarizers for changing the phase difference between the components of polarized light parallel to and perpendicular to the plane of incidence. Thus, unlike the known devices, the depolarization phenomenon does not occur in the active element and the dynamic range is not narrowed and the accuracy of current measurement in the high-voltage network is not reduced.

Во-вторых, четырехкратное прохождение линейно поляризованного света в активном элементе ячейки Фарадея (в четырехугольной призме) повышает чувствительность и его точность измерения переменного тока в высоковольтной сети.Secondly, quadruple passage of linearly polarized light in the active element of a Faraday cell (in a quadrangular prism) increases the sensitivity and its accuracy of measuring alternating current in a high-voltage network.

В-третьих, совмещение плоскости поляризации первого поляризатора с плоскостью падения света на зеркальные поверхности четырехгранной прямоугольной призмы активного элемента ячейки Фарадея обеспечивает отсутствие одной из составляющих поляризованного света, что исключает дополнительные погрешности измерения тока в высоковольтной сети.Thirdly, the combination of the plane of polarization of the first polarizer with the plane of incidence of light on the mirror surfaces of the tetrahedral rectangular prism of the active element of the Faraday cell ensures the absence of one of the components of polarized light, which eliminates additional errors in measuring current in a high-voltage network.

В-четвертых, установка призм типа АР-180° до и после поляризаторов и закрепление всех элементов ячейки Фарадея в едином блоке из стеклопластика позволило достичь компактности, жесткости и герметичности конструкции, что является существенным при эксплуатации оптического измерителя переменного тока в суровых климатических условиях.Fourth, installing prism type AR-180 ° before and after polarizers and fixing all the elements of the Faraday cage in a single fiberglass unit made it possible to achieve compactness, rigidity, and tightness of the structure, which is essential when operating an optical AC meter in harsh climatic conditions.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Лансберг Г.С. Оптика, 4 изд., М., 1957, с. 618-620.1. Lansberg G.S. Optics, 4th ed., M., 1957, p. 618-620.

2. Зубков В.П., Крастина А.Д. Оптико-электронные методы измерения в установках высокого напряжения: (обзор). - М.: Информэнерго, 1975. 156 с.2. Zubkov V.P., Krastina A.D. Optoelectronic measurement methods in high voltage installations: (review). - M .: Informenergo, 1975.156 s.

3. Патент США №3605013, G01R 15/246У.3. US patent No. 3605013, G01R 15 / 246U.

4. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5,000 «НПП МарсЭнерго» (приборы для электроэнергетики), www.mars-energo.ru4. Magneto-optical measuring transducer of alternating and pulse current MPR-ME-5,000 “NPP MarsEnergo” (devices for electric power industry), www.mars-energo.ru

5. Пеньковский А.И. Измерение поляризационных характеристик света при отражении от границы раздела двух изотропных сред, «ОМП», №5, 1986, с. 9-12.5. Penkovsky A.I. Measurement of the polarization characteristics of light upon reflection from the interface of two isotropic media, "OMP", No. 5, 1986, p. 9-12.

Claims (6)

1. Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях, содержащий источник света и установленные последовательно по ходу лучей света многомодовое оптическое волокно, торец которого находится в фокальной плоскости установленной за ним коллимирующей линзы, первый поляризатор, активный элемент ячейки Фарадея, выполненный из стекла с высоким значением постоянной Вердэ, находящийся в продольном по отношению к направлению света магнитном поле, создаваемом фрагментом проводника с током высоковольтной сети, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью поляризации первого, собирающая линза, второе многомодовое оптическое волокно и фотоприемник, а также линейный усилитель сигнала фотоприемника, блок преобразования сигналов и индикатор результатов измерения, отличающийся тем, что с целью повышения точности активный элемент ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы высотой h, одна пара боковых граней которой имеет ширину не менее диаметра D коллимированного пучка света, например C=D+2 мм, а противоположные боковые грани имеют ширину не менее 3D, например E=3D+2 мм, первое основание призмы, на которое падает свет, полировано и на его поверхности в центре нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полоски шириной D, другое основание призмы разделено на три равные прямоугольные зоны, по обе стороны от центральной прямоугольной зоны содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями, составляющие с плоскостью центрально зоны углы1. An optical meter for alternating current in high-voltage networks, containing a light source and a multimode optical fiber sequentially installed along the rays of light, the end of which is in the focal plane of the collimating lens installed behind it, the first polarizer, the active element of the Faraday cell made of high-value glass Verde constant, located in the magnetic field longitudinal with respect to the direction of light, created by a fragment of a conductor with a high-voltage network current, a second polarizer, pl the transmittance of which is an angle of ± 45 ° with the plane of polarization of the first, collecting lens, second multimode optical fiber and photodetector, as well as a linear signal amplifier of the photodetector, signal conversion unit and an indicator of the measurement results, characterized in that the active element of the Faraday cell is used to increase accuracy made in the form of a quadrangular glass prism of height h, one pair of side faces of which has a width of at least the diameter D of the collimated light beam, for example, C = D + 2 mm, and opposite The lateral faces have a width of at least 3D, for example, E = 3D + 2 mm, the first base of the prism onto which the light is incident is polished and a mirror coating is applied in the center in the form of a rectangular strip of width D, the other base of the prism is divided into three equal rectangular zones, on both sides of the central rectangular zone, contains two polished surfaces with mirror coatings, which make angles with the plane of the central zone
Figure 00000040
Figure 00000040
 где D - диаметр коллимированного пучка света, h - высота четырехугольной призмы.where D is the diameter of the collimated light beam, h is the height of the quadrangular prism. 2. Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях по п. 1, отличающийся тем, что с целью уменьшения потерь света и повышения точности поляризаторы наклеены на первое основание по обе стороны его центральной зеркальной зоны причем так, что плоскость пропускания первого поляризатора параллельна одной из боковых граней четырехугольной призмы активного элемента ячейки Фарадея.2. An optical AC meter in high voltage networks according to claim 1, characterized in that in order to reduce light loss and improve accuracy, polarizers are glued to the first base on both sides of its central mirror zone, so that the transmission plane of the first polarizer is parallel to one of the side faces of the quadrangular prism of the active element of the Faraday cell. 3. Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях по п. 1, отличающийся тем, что с целью достижения компактности конструкции между коллимирующей линзой и первым поляризатором, а также между вторым поляризатором и собирающей линзой установлены призмы АР-180°.3. An optical meter for alternating current in high-voltage networks according to claim 1, characterized in that in order to achieve compact design between the collimating lens and the first polarizer, as well as between the second polarizer and the collecting lens, prisms AP-180 ° are installed. 4. Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях по п. 1, отличающийся тем, что оптические волокна, коллиматорная, собирающая линзы, призмы АР-180°, поляризаторы и четырехугольная стеклянная призма закреплены в едином монолитном корпусе из диэлектрического материала, например из стеклопластика, и представляет собой универсальный блок ячейки Фарадея.4. The optical meter of alternating current in high-voltage networks according to claim 1, characterized in that the optical fibers, collimator, collecting lenses, prisms AP-180 °, polarizers and a quadrangular glass prism are fixed in a single monolithic body made of dielectric material, for example, fiberglass, and is a universal block of a Faraday cell.
RU2016140452A 2016-10-10 2016-10-10 Optical ac voltage meter in high-voltage networks RU2627987C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016140452A RU2627987C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Optical ac voltage meter in high-voltage networks

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016140452A RU2627987C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Optical ac voltage meter in high-voltage networks

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2627987C1 true RU2627987C1 (en) 2017-08-14

Family

ID=59641872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016140452A RU2627987C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Optical ac voltage meter in high-voltage networks

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2627987C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754201C1 (en) * 2020-12-22 2021-08-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Device for measuring low currents of injected charges in condensed media
RU2762886C1 (en) * 2020-12-28 2021-12-23 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4560932A (en) * 1982-01-29 1985-12-24 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Magneto-optical converter utilizing Faraday effect
US4648274A (en) * 1985-08-07 1987-03-10 General Signal Corporation Photoelastic measuring transducer and accelerometer based thereon
US5475489A (en) * 1991-06-07 1995-12-12 Goettsche; Allan Determination of induced change of polarization state of light
RU14683U1 (en) * 2000-02-14 2000-08-10 Уфимский технологический институт сервиса OPTICAL SENSOR
RU153780U1 (en) * 2014-11-28 2015-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Марс-Энерго" MAGNETO-OPTICAL MEASURING TRANSDUCER

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4560932A (en) * 1982-01-29 1985-12-24 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Magneto-optical converter utilizing Faraday effect
US4648274A (en) * 1985-08-07 1987-03-10 General Signal Corporation Photoelastic measuring transducer and accelerometer based thereon
US5475489A (en) * 1991-06-07 1995-12-12 Goettsche; Allan Determination of induced change of polarization state of light
RU14683U1 (en) * 2000-02-14 2000-08-10 Уфимский технологический институт сервиса OPTICAL SENSOR
RU153780U1 (en) * 2014-11-28 2015-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Марс-Энерго" MAGNETO-OPTICAL MEASURING TRANSDUCER

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754201C1 (en) * 2020-12-22 2021-08-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Device for measuring low currents of injected charges in condensed media
RU2762886C1 (en) * 2020-12-28 2021-12-23 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rogers Optical technique for measurement of current at high voltage
RU2700288C1 (en) Universal optical current meter
RU2620927C1 (en) Optical ac measuring device
JPH0475470B2 (en)
RU2650615C2 (en) Current measuring device
CN106526277A (en) Novel optical path sensing unit for low-voltage optical current sensor
RU171401U1 (en) OPTICAL AC METER IN HIGH VOLTAGE NETWORKS
JP2818301B2 (en) Method and apparatus for measuring current with two opposite optical signals utilizing Faraday effect
RU2627987C1 (en) Optical ac voltage meter in high-voltage networks
Wunsch et al. Kerr cell measuring system for high voltage pulses
JPH10504396A (en) Method and apparatus for measuring current from at least two measurement ranges
RU2682133C1 (en) Optical universal current meter
RU2720187C1 (en) Ac and dc optical laboratory meter
Kurosawa et al. Development of optical fiber current sensors and their applications
RU2663545C1 (en) Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks
RU2723238C1 (en) Faraday cell for current meters in high-voltage networks
Nascimento et al. Novel optical current sensor for metering and protection in high power applications
US9146358B2 (en) Collimator holder for electro-optical sensor
CN105044476B (en) Field measurement device
RU2762886C1 (en) Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks
RU2786621C1 (en) Optical two-channel current meter for high-voltage networks
RU2752341C1 (en) Optical dual-channel current meter
KR100662744B1 (en) Bulk type optical current/potential sensor
RU2819134C1 (en) Optical multichannel current meter for high-voltage networks
RU2767166C1 (en) Optical interference current meter