RU2819134C1 - Optical multichannel current meter for high-voltage networks - Google Patents
Optical multichannel current meter for high-voltage networks Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819134C1 RU2819134C1 RU2023103230A RU2023103230A RU2819134C1 RU 2819134 C1 RU2819134 C1 RU 2819134C1 RU 2023103230 A RU2023103230 A RU 2023103230A RU 2023103230 A RU2023103230 A RU 2023103230A RU 2819134 C1 RU2819134 C1 RU 2819134C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- current
- light
- prism
- coarse
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 32
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 50
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 24
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims description 18
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 9
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 239000005342 prism glass Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к группе измерительных приборов, предназначенных для измерения тока в высоковольтных сетях, а точнее к измерителям тока, в которых используется оптический эффект Фарадея.The invention relates to a group of measuring instruments designed to measure current in high-voltage networks, and more precisely to current meters that use the optical Faraday effect.
До настоящего времени наиболее распространенными измерителями тока в высоковольтных сетях являются электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ИТТЭ) [1], которые содержат первичную обмотку из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии, магнитопровод из трансформаторного железа, одну вторичную обмотку с большим числом витков для точных измерений тока и несколько вторичных обмоток для грубых измерений тока, дающих информацию о максимальном токе релейной защиты (МТЗ) и о ударном токе при коротком замыкании (токе отсечки ТО).Until now, the most common current meters in high-voltage networks are electromagnetic measuring current transformers (ITCTs) [1], which contain a primary winding of one or several turns of a fragment of a high-voltage line conductor, a magnetic core made of transformer iron, one secondary winding with a large number of turns for accurate current measurements and several secondary windings for rough current measurements, providing information on the maximum relay protection current (overcurrent) and short-circuit surge current (TO cut-off current).
Вторичные обмотки обязательно заземлены и нагружены известными комплексными сопротивлениями.The secondary windings are necessarily grounded and loaded with known complex resistances.
Существенными недостатками ИТТЭ являются:Significant disadvantages of ITFC are:
- высокая пожароопасность в связи с возможным электрическим пробоем изоляции между обмотками;- high fire hazard due to possible electrical breakdown of insulation between the windings;
- насыщение магнитопровода апериодической составляющей при токах короткого замыкания;- saturation of the magnetic circuit with the aperiodic component at short circuit currents;
- неизбежный расход электроэнергии во вторичных обмотках (вторичных цепях);- inevitable consumption of electricity in secondary windings (secondary circuits);
- влияние на точность измерения тока величины нагрузки и числа подключенных ко вторичным обмоткам регистраторов измеренного тока;- influence on the accuracy of current measurement of the load size and the number of measured current recorders connected to the secondary windings;
- аналоговая форма сигнала, характеризующего измеренный ток;- analogue form of the signal characterizing the measured current;
- большие габариты и ток;- large dimensions and current;
- высокие расходы для обслуживания, проведения регламентных проверок состояния изоляции.- high costs for maintenance and routine checks of the insulation condition.
В качестве альтернативы ИТТЭ, работающих на принципе электромагнитной трансформации тока, интенсивно ведутся работы по созданию измерителей тока оптических (ИТО), принцип работы которых основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в магниточувствительном изотропном веществе (например, в стекле), находящемся в продольном (коаксиальном) магнитном поле (эффект Фарадея).As an alternative to ITFCs operating on the principle of electromagnetic transformation of current, work is being intensively carried out to create optical current meters (OCMs), the operating principle of which is based on the phenomenon of rotation of the polarization plane of linearly polarized light in a magnetically sensitive isotropic substance (for example, glass) located in the longitudinal (coaxial) magnetic field (Faraday effect).
Суть эффекта Фарадея состоит в следующем [2,3]. Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент. Под действием продольного (по отношению к направлению распространения света) магнитного поля в таких веществах как стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции и между этими компонентами возникает разность фазThe essence of the Faraday effect is as follows [2,3]. Linearly polarized light can be represented as the sum of two circularly polarized components of equal amplitude. Under the influence of a longitudinal (relative to the direction of light propagation) magnetic field in substances such as glass, birefringence occurs for the circularly polarized components of left and right circulation and a phase difference arises between these components
где - фазовые скорости распространения левой и правой волн;Where - phase velocities of propagation of left and right waves;
- коэффициенты преломления соответственно для левой и правой циркулярно поляризованных компонент; - refractive indices, respectively, for the left and right circularly polarized components;
- путь, пройденный поляризованным светом в веществе вдоль напряженности магнитного поля; - the path traveled by polarized light in a substance along the magnetic field strength;
- длина волны света. - wavelength of light.
Если магниточувствительное стекло изотропно, то есть не обладает линейным двулучепреломлением [2], то на выходе из стекла циркулярная поляризация обеих компонент сохраняется и при их сложении получается опять линейно поляризованный свет, но с измененным азимутом поляризации на уголIf the magnetically sensitive glass is isotropic, that is, does not have linear birefringence [2], then at the exit from the glass the circular polarization of both components is preserved and when they are added, linearly polarized light is obtained again, but with the polarization azimuth changed by an angle
где: - величина напряженности продольного магнитного поля, действующего на стекло;Where: - the strength of the longitudinal magnetic field acting on the glass;
- постоянная Верде стекла; - Verdet constant of glass;
- путь, пройденный поляризованным светом в стекле; - path traveled by polarized light in glass;
- угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля; - the angle between the direction of light propagation and the direction of the magnetic field lines;
- число витков фрагмента проводника; - number of turns of a conductor fragment;
- ток, протекаемый по фрагменту проводника; - current flowing through a fragment of a conductor;
- конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние от стекла до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла. - design factor that takes into account the distance from the glass to the current-carrying conductor and the averaging of the magnetic field strength at different points of the glass.
Из формул (1, 2) видно, что для измерения тока i, протекаемого по проводнику высоковольтной линии, можно использовать два способа:From formulas (1, 2) it is clear that to measure the current i flowing through the conductor of a high-voltage line, two methods can be used:
- способ измерения разности фаз δ0 с помощью интерферометра [4];- a method for measuring the phase difference δ 0 using an interferometer [4];
- способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации α, с помощью обычных поляриметров [2].- a method based on measuring the azimuth of linear polarization α using conventional polarimeters [2].
В реализации проще второй способ, при котором на магниточувствительный стеклянный элемент, находящийся в продольном магнитном поле, направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют изменение азимута линейной поляризации света, которое пропорционально напряженности магнитного поля, и, следовательно, измеренному току i.The second method is simpler in implementation, in which linearly polarized light is directed onto a magnetically sensitive glass element located in a longitudinal magnetic field and, at the exit from the glass, the change in the azimuth of the linear polarization of the light is measured, which is proportional to the magnetic field strength, and, therefore, to the measured current i.
Этот способ реализован, например, в известном измерителе тока оптическом [5], который содержит установленные последовательно источник света, первый подающий свет многомодовый волоконный световод, коллимирующую линзу, первый линейный поляризатор, магниточувствительный элемент в виде стеклянной призмы типа BP-180°, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника высоковольтной линии, второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания первого поляризатора, собирающую линзу, второй многомодовый волоконный световод, фотоприемник и электронный блок.This method is implemented, for example, in a well-known optical current meter [5], which contains a light source installed in series, a first multimode fiber light guide, a collimating lens, a first linear polarizer, and a magnetically sensitive element in the form of a glass prism of the BP-180° type, located in longitudinal magnetic field of a fragment of a high-voltage line conductor, a second polarizer, the transmission plane of which makes an angle of ±45° with the transmission plane of the first polarizer, a collecting lens, a second multimode fiber light guide, a photodetector and an electronic unit.
Известное устройство [5] работает следующим образом.The known device [5] works as follows.
Свет от источника по волоконному световоду передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы. Вышедший из первого оптического волокна расходящийся пучок света преобразуется линзой в коллимированный пучок диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму типа BP-180°, проходит второй поляризатор и второй линзой собирается на торце второго оптического волокна. Далее свет попадает на фотоприемник. Сигнал от фотоприемника поступает в электронный блок.Light from the source is transmitted through a fiber light guide to the focal plane of a collimating lens. The diverging beam of light emerging from the first optical fiber is converted by a lens into a collimated beam of diameter D. Then the light passes through the first polarizer, becomes linearly polarized, passes through a quadrangular prism of the BP-180° type four times, passes through the second polarizer and is collected by the second lens at the end of the second optical fiber. Next, the light hits the photodetector. The signal from the photodetector enters the electronic unit.
Если ток по проводнику не протекает и магнитное поле вокруг проводника отсутствует, то в процессе прохождения света через призму BP-180° его состояние поляризации не меняется. Поскольку азимут плоскости пропускания второго поляризатора отличается от плоскости пропускания первого поляризатора на угол ±45°, то фотоприемник воспринимает свет интенсивностьюIf no current flows through the conductor and there is no magnetic field around the conductor, then as light passes through the BP-180° prism, its polarization state does not change. Since the azimuth of the transmission plane of the second polarizer differs from the transmission plane of the first polarizer by an angle of ±45°, the photodetector perceives light intensity
где - интенсивность света источника 1;Where - light intensity of source 1;
- общий коэффициент отражения; - overall reflection coefficient;
- общий коэффициент пропускания всех элементов оптики. - the total transmittance of all optical elements.
Если по фрагменту проводника протекает переменный ток частоты сети то фотоприемник воспринимает свет интенсивностьюIf alternating current flows through a fragment of a conductor network frequencies then the photodetector perceives light intensity
где: - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой BP-180°;Where: - maximum amplitude of the angle of rotation of the plane of polarization of light by the prism BP-180°;
- постоянная Верде материала призмы; - Verdet constant of the prism material;
- общая длина пути света в призме; - the total length of the light path in the prism;
- угол между направлением распространения света и магнитными силовыми линиями поля. - the angle between the direction of light propagation and the magnetic field lines.
Фотоприемник работает в линейном режиме, поэтому световой поток I фотоприемником преобразуется в электрический сигналThe photodetector operates in linear mode, so the luminous flux I is converted by the photodetector into an electrical signal
где - постоянная составляющая электрического сигнала фотоприемника.Where - constant component of the electrical signal of the photodetector.
В электронном блоке вычисляется отношение Q переменной составляющейThe electronic unit calculates the ratio Q of the variable component
к постоянной составляющей U0 to the constant component U 0
а затем вычисляется искомый ток i, протекаемый по проводнику, по формулеand then the desired current i flowing through the conductor is calculated using the formula
где - коэффициент, характеризующий эффективность использования магнитного поля.Where - coefficient characterizing the efficiency of using the magnetic field.
Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом табло электронного блока и с помощью интерфейса транслируются на другие внешние устройства.The results of alternating current measurements are displayed on the digital display of the electronic unit and, using the interface, are transmitted to other external devices.
Данное известное устройство [5] позволяет измерять ток в высоковольтных сетях с высокой точностью (не хуже 0,2%) для коммерческого учета электроэнергии, но не может обеспечить нормальную работу релейной защиты и автоматики по следующим причинам.This known device [5] makes it possible to measure current in high-voltage networks with high accuracy (no worse than 0.2%) for commercial electricity metering, but cannot ensure the normal operation of relay protection and automation for the following reasons.
Во-первых, известное устройство настраивается так, чтобы при номинальном токе в сети угол поворота плоскости поляризации был в переделах то есть линейного участка кривой чтобы согласно зависимостей (6) и (7) соблюдались пропорциональности между а также Q и α.Firstly, the known device is configured so that at rated current in the network, the angle of rotation of the plane of polarization was within that is, the linear section of the curve so that, according to dependencies (6) and (7), proportionality between as well as Q and α.
Однако, при бросках тока в сети, например, в результате короткого замыкания, ток в сети может возрастать в десятки раз, например При этом угол поворота будет достигать величин что приведет к нарушению принципа работы устройства, так как согласно формуле (6) угол α должен быть только в пределах ±45° (функция U=f(α) циклическая).However, during current surges in the network, for example, as a result of a short circuit, the current in the network can increase tens of times, for example In this case, the rotation angle will reach values which will lead to a violation of the principle of operation of the device, since according to formula (6) the angle α should only be within ±45° (the function U=f(α) is cyclic).
Во-вторых, ударный ток короткого замыкания (апериодическая составляющая) возникает через 0,01 сек после КЗ и быстро угасает. Для регистрации этого быстро протекаемого процесса требуется дополнительный грубый канал и особая электрическая схема, обладающая высоким быстродействием при измерении тока, чего в данном известном устройстве нет.Secondly, the short-circuit shock current (the aperiodic component) appears 0.01 seconds after the short circuit and quickly fades away. To register this rapidly occurring process, an additional coarse channel and a special electrical circuit with high performance when measuring current are required, which is not present in this known device.
Известен измеритель тока оптический двухканальный [6], который является прототипом предлагаемому устройству. Измеритель тока оптический двухканальный содержит два независимые друг от друга точный и грубый оптические каналы в виде ячеек Фарадея, установленные внутри общего соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии. Каждый из каналов содержит установленные последовательно источник света, первый поляризатор, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы, второй поляризатор, собирающую свет линзу, второй волоконный световод, фотоприемник, подключенный к электронному блоку с формирователями уровней постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала фотоприемника, микропроцессор, индикатор результатов измерений тока, плату интерфейса.A two-channel optical current meter is known [6], which is a prototype of the proposed device. A two-channel optical current meter contains two independent fine and coarse optical channels in the form of Faraday cells, installed inside a common solenoid formed from one or several turns of a fragment of a high-voltage line conductor. Each of the channels contains a light source installed in series, a first polarizer, a magnetically sensitive element, for example, in the form of a glass prism, a second polarizer, a light-collecting lens, a second fiber light guide, a photodetector connected to an electronic unit with level shapers for the constant component and the alternating component of the photodetector signal, microprocessor, current measurement results indicator, interface board.
В качестве магниточувствительного элемента в точном канале установлена стеклянная призма типа BP-180°, а в грубом канале - обычная стеклянная призма с наклеенной дополнительной призмой типа БР-180°.A glass prism of type BP-180° is installed as a magnetosensitive element in the fine channel, and in the coarse channel there is an ordinary glass prism with an additional prism of type BR-180° glued on.
В электронном блоке также имеются два канала. Точный канал измерений содержит фотоприемник, предварительный усилитель, блок обработки сигнала, микропроцессор, индикатор результатов измерений, интерфейс, блок питания. К предварительному усилителю грубого канала подключено пороговое устройство триггерного типа с усилителем мощности, который подключен к микропроцессору и со входом релейной защиты.The electronic unit also has two channels. The precise measurement channel contains a photodetector, a preamplifier, a signal processing unit, a microprocessor, an indicator of measurement results, an interface, and a power supply. A trigger-type threshold device with a power amplifier, which is connected to a microprocessor and with a relay protection input, is connected to the rough channel preamplifier.
Известный измеритель тока оптический двухканальный [6] работает следующим образом.The known two-channel optical current meter [6] operates as follows.
Свет от источника точного канала по первому волоконному световоду передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы. Вышедший из первого оптического волокна расходящийся пучок света преобразуется линзой в коллимированный пучок света диаметром D. Далее свет проходит первый поляризатор, становится линейно поляризованным, проходит четыре раза четырехугольную призму типа BP-180°, проходит второй поляризатор и собирающей линзой собирается на торце второго оптического волокна, далее свет попадает на фотоприемник.Light from the precision channel source is transmitted through the first optical fiber to the focal plane of the collimating lens. The diverging beam of light emerging from the first optical fiber is converted by the lens into a collimated beam of light with a diameter of D. Then the light passes through the first polarizer, becomes linearly polarized, passes through a quadrangular prism of the BP-180° type four times, passes through the second polarizer and is collected by a collecting lens at the end of the second optical fiber , then the light hits the photodetector.
Если по фрагменту проводника, например, в виде полного витка шины, протекает переменный ток частоты ω (50 Гц)If an alternating current of frequency ω (50 Hz) flows through a fragment of a conductor, for example, in the form of a full turn of a bus,
то фотоприемник воспринимает свет интенсивностьюthen the photodetector perceives light intensity
где: - интенсивность света источника света;Where: - light intensity of the light source;
- коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы BP-180°; - reflection coefficient of the mirror surfaces of the prism BP-180°;
- коэффициент пропускания света оптического тракта. - light transmittance of the optical path.
Световой поток фотоприемником преобразуется в электрический сигналLight flow is converted into an electrical signal by a photodetector
где: - максимальный угол поворота плоскости поляризации света призмой BP-180°;Where: - maximum angle of rotation of the light polarization plane by the prism BP-180°;
- путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме BP-180°. - the path traveled by linearly polarized light in the BP-180° prism.
После предварительного усиления усилителем блок обработки сигнала разделяет постоянную составляющую сигналаAfter pre-amplification by the amplifier, the signal processing unit separates the DC component of the signal
и переменную составляющуюand variable component
) )
Постоянная составляющая подается на один вход микропроцессора, а переменная составляющая детектируется, сглаживается и подается на второй вход микропроцессора.The DC component is fed to one input of the microprocessor, and the AC component is detected, smoothed and fed to the second input of the microprocessor.
Микропроцессор вычисляет отношение Q сигнала, пропорциональное переменной составляющей (13) к постоянной составляющейThe microprocessor calculates the ratio Q of the signal, proportional to the variable component (13) to the constant component
) )
затем вычисляет искомый ток i, протекаемый по фрагменту проводника по формуле (8).then calculates the desired current i flowing through the conductor fragment according to formula (8).
где K - коэффициент пропорциональности.where K is the proportionality coefficient.
Результаты измерения переменного тока индицируются на цифровом индикаторе и с помощью платы интерфейса транслируется на внешние устройства для регистрации и управления.The AC current measurement results are displayed on a digital indicator and, using an interface board, are transmitted to external devices for recording and control.
Одновременно свет интенсивностью от источника второго грубого канала по первому многомодовому световоду грубого канала передается в фокальную плоскость коллимирующей линзы. Вышедший из первого оптического волокна расходящийся пучок света преобразуется линзой в коллимированный пучок света. Далее свет грубого канала проходит первый линейный поляризатор, становится линейно поляризованным, проходит один раз простую четырехугольную дополнительную призму, второй поляризатор, дважды отражается от полированных поверхностей призмы типа БР-180°, линзой собирается на торце второго волоконного световода и передается фотоприемнику.At the same time the light intensity from the source of the second coarse channel is transmitted through the first multimode fiber of the coarse channel to the focal plane of the collimating lens. The diverging beam of light emerging from the first optical fiber is converted by the lens into a collimated beam of light. Next, the light of the coarse channel passes through the first linear polarizer, becomes linearly polarized, passes once through a simple quadrangular additional prism, the second polarizer, is reflected twice from the polished surfaces of the BR-180° prism, is collected by the lens at the end of the second fiber light guide and is transmitted to the photodetector.
Световой поток I2 фотоприемником грубого канала преобразуется в электрический сигналThe luminous flux I 2 is converted into an electrical signal by a coarse channel photodetector
где: - максимальный угол поворота плоскости поляризации света простой призмой грубого канала;Where: - maximum angle of rotation of the plane of polarization of light by a simple prism of a rough channel;
- путь, пройденный линейно поляризованным светом в призме грубого канала. - the path traveled by linearly polarized light in the prism of the rough channel.
После предварительного усиления усилителем грубого канала блок обработки сигнала разделяет постоянную составляющую сигнала (16) U1 = и переменную составляющуюAfter pre-amplification of the coarse channel by the amplifier, the signal processing unit separates the constant component of the signal (16) U 1 = and the variable component
Уровень постоянной составляющей грубого канала равен или близок к уровню постоянной составляющей точного (основного) канала А уровень (амплитуда) переменной составляющей грубого канала (24) в несколько раз меньше амплитуды точного канала (13) в связи с тем, что при прочих равных условиях путь L2, пройденный светом в призме грубого канала, в несколько раз (например, в 5 раз) меньше пути L1, пройденного в призме BP-180° точного канала.DC level the coarse channel is equal to or close to the level of the DC component of the fine (main) channel And the level (amplitude) of the variable component of the coarse channel (24) is several times less than the amplitude of the fine channel (13) due to the fact that, other things being equal, the path L2 traversed by light in the prism of the coarse channel is several times (for example, 5 times) less than the path L 1 traversed in the BP-180° prism of the precise channel.
Так, например, если при номинальном токе в сети угол поворота плоскости поляризации α1max в точном канале обычно находится в пределах от 5 до 10°, то в грубом канале - всего 1°-2°.So, for example, if at the rated current in the network The angle of rotation of the plane of polarization α 1max in the fine channel is usually in the range from 5 to 10°, while in the coarse channel it is only 1°-2°.
Следовательно, если произойдет бросок тока в сети, например, в результате короткого замыкания то в точном канале произойдет нарушение принципа работы а в грубом канале α2max < 45° и нарушения работы измерителя тока оптического не происходит.Therefore, if a current surge occurs in the network, for example, as a result of a short circuit then in the exact channel there will be a violation of the operating principle and in the rough channel α 2max < 45° and there is no disruption to the operation of the optical current meter.
Кроме того в предварительном усилителе грубого канала происходит нарастание сигнала переменной составляющей до уровня срабатывания порогового устройства триггерного типа, который усиливается усилителем и подается релейной защите для отключения сети.In addition, in the pre-amplifier of the coarse channel, the signal of the variable component increases to the level of operation of a trigger-type threshold device, which is amplified by the amplifier and supplied to relay protection to turn off the network.
Микропроцессор запрограммирован так, что при угле α1max < 30°, когда отношение переменной составляющей к постоянной составляющей информация о измеренном токе i в высоковольтной сети поступает из первого (точного) канала, а с увеличением тока i информация о измеренном токе i поступает из дополнительного (грубого) канала.The microprocessor is programmed so that at angle α 1max < 30°, when the ratio of the variable component to the constant component information about the measured current i in the high-voltage network comes from the first (fine) channel, and as the current i increases, information about the measured current i comes from the additional (coarse) channel.
Так, например, если в качестве фрагмента проводника высоковольтной линии используется шина 10 × 100 мм2 в виде одного витка, то при а при токе и Q≈0,87. То есть при превышении тока в сети более чем в 3 раза происходит автоматическое переключение каналов с первого на второй (грубый) и измерение тока продолжается без потери информации. Разумеется, при этом учитывается коэффициент где L1 - путь, пройденный светом в призме точного канала, a L2 - путь, пройденный светом в призме грубого канала.So, for example, if a 10 × 100 mm 2 bus in the form of one turn is used as a fragment of a high-voltage line conductor, then when and with current and Q≈0.87. That is, when the current in the network exceeds more than 3 times, the channels are automatically switched from the first to the second (rough) and the current measurement continues without loss of information. Of course, this takes into account the coefficient where L 1 is the path traveled by light in the prism of the fine channel, and L 2 is the path traveled by light in the prism of the coarse channel.
То же самое происходит и в том случае, когда в качестве фрагмента проводника используется шина 8×60 мм2 в виде двух витков, когда Так, при а при И в этом случае при превышении тока примерно в три раза происходит автоматическое переключение каналов, а срабатывание релейной защиты еще не происходит. Срабатывание релейной защиты произойдет при достижении тока короткого замыкания.The same thing happens when an 8×60 mm 2 bus in the form of two turns is used as a conductor fragment, when Yes, when and when And in this case, if the current exceeds about three times Channels are automatically switched, but the relay protection has not yet triggered. The relay protection will operate when the short circuit current reaches.
Таким образом, добавление в известное устройство [6] дополнительного магниточувствительного элемента и организация второго дополнительного грубого канала позволяет производить измерение тока с высокой точностью в широком диапазоне измерения тока в высоковольтной сети и обеспечить гарантированное срабатывание релейной защиты только тогда, когда произойдет короткое замыкание Thus, adding an additional magnetosensitive element to the known device [6] and organizing a second additional coarse channel makes it possible to measure current with high accuracy in a wide range of current measurements in a high-voltage network and ensure guaranteed operation of relay protection only when a short circuit occurs
Данное известное устройство имеет существенный недостаток, который проявляется при работе в жестких климатических условиях. Известно, что в процессе резких изменений температуры окружающего воздуха в различных точках стеклянной призмы ячейки Фарадея могут появляться градиенты температуры, что приводит к появлению тепловых или механических нагрузок в стекле призмы и, как следствие, к возникновению линейного двойного лучепреломления. То есть, под воздействием градиента температуры изотропное стекло призмы становится анизотропным. В этом случае стеклянную призму можно представить фазовой пластинкой [7] с произвольной ориентацией главных осей ϕ и вносящей разность фаз δg между взаимно ортогональными компонентами поляризованного света [8]This known device has a significant drawback, which manifests itself when operating in harsh climatic conditions. It is known that during sudden changes in ambient air temperature, temperature gradients can appear at various points in the glass prism of a Faraday cell, which leads to the appearance of thermal or mechanical loads in the prism glass and, as a consequence, to the occurrence of linear birefringence. That is, under the influence of a temperature gradient, the isotropic glass of the prism becomes anisotropic. In this case, the glass prism can be represented as a phase plate [7] with an arbitrary orientation of the main axes ϕ and introducing a phase difference δ g between the mutually orthogonal components of polarized light [8]
где - длина волны света;Where - wavelength of light;
- фотоупругий коэффициент стекла призмы[8]; - photoelastic coefficient of prism glass [8];
- разность касательных напряжений[7]; - difference in tangential stresses[7];
- длина пути света в стекле; - light path length in glass;
- разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной компонент поляризованного света. - the difference in refractive indices for the ordinary and extraordinary components of polarized light.
В этом случае стеклянные призмы обоих каналов без воздействия на них магнитного поля подобны фазовым пластинкам с произвольными ориентациями главных осей ϕ, вносящие разность фаз δg.In this case, the glass prisms of both channels, without the influence of a magnetic field on them, are similar to phase plates with arbitrary orientations of the main axes ϕ, introducing a phase difference δ g .
Матрицы стеклянных призм как эквивалентных фазовых пластин могут быть представлены в видеMatrices of glass prisms as equivalent phase plates can be represented in the form
Если по фрагменту проводника высоковольтной сети протекает переменный ток с частотой ω=50 Гц, то с появлением эффекта Фарадея стеклянные призмы обоих каналов приобретают свойства ротатора [8], что отображается матрицейIf an alternating current with a frequency of ω=50 Hz flows through a fragment of a high-voltage network conductor, then with the advent of the Faraday effect, the glass prisms of both channels acquire the properties of a rotator [8], which is reflected by the matrix
где α - угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света согласно формуле (2);where α is the angle of rotation of the plane of polarization of linearly polarized light according to formula (2);
- коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 5 для горизонтально поляризованного света. - reflectance coefficient of the mirror surfaces of the prism 5 for horizontally polarized light.
В этом случае матрицы призм каналов можно представить произведением матрицы (19) и матрицы ротатора (20), то есть матрицейIn this case, the channel prism matrices can be represented as the product of matrix (19) and rotator matrix (20), that is, the matrix
где Where
Если для каждого канала перемножить векторы Стокса характеризующий неполяризованный свет, падающий на первый поляризатор, и известные матрицы [8] первого поляризатора призмы BP-180° после четырехкратного прохождения света в точном канале и одноразового прохождения в грубом канале, второго поляризатора то можно получить первые параметры Стокса, характеризующие интенсивность света в точном канале и в грубом канале:If for each channel we multiply the Stokes vectors characterizing unpolarized light incident on the first polarizer and the known matrices [8] of the first polarizer prisms BP-180° after passing the light four times in the fine channel and once passing in the coarse channel, the second polarizer then we can obtain the first Stokes parameters characterizing the light intensity in the exact channel and in the rough channel:
А отношения переменных составляющих к постоянным составляющим сигналов в каждом канале будут характеризоваться зависимостями:And the ratio of the variable components to the constant components of the signals in each channel will be characterized by the dependencies:
Сравнивая формулу (14) и формулы (24), (25), видим, что термические или механические нагрузки в стекле призм каналов вызывают появление в нем линейного двулучепреломления (анизотропии) и, как следствие, погрешности измерений тока в высоковольтной сети.Comparing formula (14) and formulas (24), (25), we see that thermal or mechanical loads in the glass of channel prisms cause the appearance of linear birefringence (anisotropy) in it and, as a consequence, errors in current measurements in a high-voltage network.
Вторым существенным недостатком известного устройства [6] является отсутствие скоростного электронного канала для обеспечения выборочного измерения тока (примерно 80 выборок за период колебаний сети 50 Гц) с целью фиксации аппаратурой релейной защиты уровня ударного тока при коротком замыкании в высоковольтной сети [9].The second significant drawback of the known device [6] is the lack of a high-speed electronic channel to provide selective current measurement (approximately 80 samples per network oscillation period of 50 Hz) in order to record the level of shock current during a short circuit in a high-voltage network by relay protection equipment [9].
Предлагается новый измеритель тока оптический многоканальный, свободный от упомянутых недостатков.A new multichannel optical current meter is proposed, free from the mentioned disadvantages.
Предлагаемое устройство состоит из двух независимых друг от друга точного и грубого оптических каналов в виде ячеек Фарадея, установленных в едином корпусе не верхнем фланце высоковольтного изолятора внутри общего соленоида, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии. Каждый из каналов содержит установленные последовательно источник света, волоконный световод, коллиматор, первый поляризатор, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы типа BP-180°, второй поляризатор, собирающую свет линзу, второй волоконный световод, фотоприемник, подключенный к электронному блоку с формирователями уровней постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала фотоприемника, микропроцессор, индикатор результатов измерений тока, плату интерфейса.The proposed device consists of two independent from each other fine and coarse optical channels in the form of Faraday cells, installed in a single housing on the upper flange of a high-voltage insulator inside a common solenoid formed from one or several turns of a fragment of a high-voltage line conductor. Each of the channels contains a light source, a fiber light guide, a collimator, a first polarizer, a magnetically sensitive element, for example, in the form of a glass prism of the BP-180° type, a second polarizer, a light collecting lens, a second fiber light guide, a photodetector connected to an electronic unit with level generators for the constant component and alternating component of the photodetector signal, microprocessor, indicator of current measurement results, interface board.
В отличие от известных устройств в каждом канале предлагаемого измерителя тока оптического многоканального вторые поляризаторы выполнены в виде призм Волластона, плоскости поляризации разведенных ими линейно поляризованных лучей составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов, в фокальных плоскостях собирающих свет линз установлены дополнительные волоконные световоды, на выходе которых установлены дополнительные фотоприемники, предварительные усилители, формирователи уровней постоянной и переменной составляющих. В грубом канале магниточувствительный элемент выполнен в виде такой же призмы типа BP-180°, но из стекла с меньшим значением постоянной Верде по сравнению со стеклом призмы точного канала. В электронном блоке грубого канала установлено устройство суммирования сигналов фотоприемников для формирования их общей постоянной составляющей, входы которого подключены непосредственно к предварительным усилителям, а его выход подключен к входам дополнительного микропроцессора, соединенного с генератором синхроимпульсов для управления моментом и числом измерений тока за период колебания переменного тока сети.Unlike known devices, in each channel of the proposed multichannel optical current meter, the second polarizers are made in the form of Wollaston prisms, the polarization planes of the linearly polarized beams separated by them make angles of ±45° with the transmission planes of the first polarizers, additional fiber light guides are installed in the focal planes of the light-collecting lenses, at the output of which additional photodetectors, pre-amplifiers, level shapers of constant and variable components are installed. In the coarse channel, the magnetically sensitive element is made in the form of the same BP-180° prism, but made of glass with a lower Verdet constant compared to the glass of the fine channel prism. In the electronic block of the coarse channel, a device is installed for summing the signals of photodetectors to form their common constant component, the inputs of which are connected directly to the preamplifiers, and its output is connected to the inputs of an additional microprocessor connected to a clock pulse generator to control the torque and the number of current measurements during the period of alternating current oscillation networks.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерителя тока оптического многоканального для высоковольтных сетей.Figure 1 shows a block diagram of the proposed multichannel optical current meter for high-voltage networks.
На фиг.2 показана структурная электрическая схема точного канала.Figure 2 shows a structural electrical diagram of a precise channel.
На фиг.3 показана структурная электрическая схема грубого канала.Figure 3 shows a structural electrical diagram of a rough channel.
На фиг.4 показаны формы сигналов первого фотоприемника грубого канала до короткого замыкания сети, во время действия ударного тока и при установившемся режиме короткого замыкания сети.Figure 4 shows the waveforms of the first coarse channel photodetector before a network short circuit, during the action of a shock current and during a steady-state network short circuit.
На фиг.5 показаны формы сигналов второго фотоприемника грубого канала при тех же этапах развития короткого замыкания.Figure 5 shows the waveforms of the second photodetector of the coarse channel at the same stages of short circuit development.
Предлагаемый измеритель тока оптический многоканальный для высоковольтных сетей состоит из двух оптических независимых друг от друга точного (фиг.1, проекция А-А) и грубого (фиг.1, проекция Б-Б) каналов в виде двух ячеек Фарадея 1,2, установленных в едином корпусе 3 на верхнем фланце 4 высоковольтного изолятора 5 внутри общего соленоида 6, образованного из одного или нескольких витков фрагмента проводника высоковольтной линии.The proposed multichannel optical current meter for high-voltage networks consists of two optical independent from each other precise (Fig. 1, projection A-A) and coarse (Fig. 1, projection BB) channels in the form of two Faraday cells 1,2 installed in a single housing 3 on the upper flange 4 of a high-voltage insulator 5 inside a common solenoid 6, formed from one or several turns of a fragment of a high-voltage line conductor.
Точный канал (фиг.1, проекция А-А) содержит установленные последовательно источник света, например, светодиод 7, волоконный многомодовый световод 8, коллиматор в виде линзы 9, первый поляризатор 10, магниточувствительный элемент, например, в виде стеклянной призмы 11 типа BP-180° с высоким значением постоянной Верде, например, из стекла ТФ5, второй поляризатор 12, собирающую свет линзу 13, второй волоконный световод 14, фотоприемник 15, подключенный к электронному блоку 16.The precise channel (Fig. 1, projection AA) contains a light source installed in series, for example, an LED 7, a multimode fiber light guide 8, a collimator in the form of a lens 9, a first polarizer 10, a magnetically sensitive element, for example, in the form of a glass prism 11 of type BP -180° with a high value of the Verdet constant, for example, from TF5 glass, a second polarizer 12, a light collecting lens 13, a second fiber light guide 14, a photodetector 15 connected to the electronic unit 16.
Грубый канал (фиг.1, проекция Б-Б) содержит установленные последовательно такие же элементы, а именно источник света 17, волоконный световод 18, коллиматор 19, первый поляризатор 20, магниточувствительный элемент в виде призмы 21 типа BP-180° из стекла с низким значением постоянной Верде, например К8, второй поляризатор 22, собирающую свет линзу 23, второй волоконный световод 24, фотоприемник 25, подключенный к электронному блоку 26.The rough channel (Fig. 1, projection BB) contains the same elements installed in series, namely a light source 17, a fiber light guide 18, a collimator 19, a first polarizer 20, a magnetically sensitive element in the form of a prism 21 type BP-180° made of glass with a low value of the Verdet constant, for example K8, a second polarizer 22, a light collecting lens 23, a second fiber light guide 24, a photodetector 25 connected to the electronic unit 26.
В каждом канале вторые поляризаторы 12 и 22 выполнены в виде призм Волластона, плоскости поляризации разведенных ими линейно поляризованных лучей составляют углы ±45° с плоскостями пропускания первых поляризаторов 10 и 20.In each channel, the second polarizers 12 and 22 are made in the form of Wollaston prisms, the polarization planes of the linearly polarized beams separated by them make angles of ±45° with the transmission planes of the first polarizers 10 and 20.
В фокальных плоскостях собирающих свет линз 13, 23, установлены торцы дополнительных волоконных световодов 27 и 28.In the focal planes of the light-collecting lenses 13, 23, the ends of additional fiber light guides 27 and 28 are installed.
После дополнительного световода 27 установлен дополнительный фотоприемник 29, соединенный с электронным блоком 16, а после дополнительного световода 28 установлен дополнительный фотоприемник 30, соединенный с электронным блоком 26.After the additional light guide 27, an additional photodetector 29 is installed, connected to the electronic unit 16, and after the additional light guide 28, an additional photodetector 30 is installed, connected to the electronic unit 26.
В связи с тем, что призмы Волластона 12 и 22, кроме разделения коллимированных пучков света на два, одновременно выполняют функции поляризаторов с взаимоортагональными плоскостями поляризации выходящих из них пучков света, то как точный, так и грубый оптические каналы в отдельности в свою очередь следует рассматривать так же как духканальные.Due to the fact that Wollaston prisms 12 and 22, in addition to dividing the collimated light beams into two, simultaneously perform the functions of polarizers with mutually orthagonal planes of polarization of the light beams emerging from them, both the fine and coarse optical channels should be considered separately in turn just like the air ducts.
В связи с этим электронный блок точного канала 16 (фиг.2) также содержит два одинаковых электронных канала. Один электронный канал содержит фотоприемник 15, предварительный усилитель 31, резистивный делитель 32, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 15, состоящий из резистора 33, емкости 34 и резистивного делителя 35, который подсоединен к первому входу микропроцессора 36, а также формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 15, состоящий из емкости 37, резистора 38, двухполупериодного выпрямителя 39, емкости 40, которая подсоединена к второму входу микропроцессора 36.In this regard, the electronic unit of the precise channel 16 (Fig. 2) also contains two identical electronic channels. One electronic channel contains a photodetector 15, a pre-amplifier 31, a resistive divider 32, a constant component signal generator of the photodetector 15, consisting of a resistor 33, a capacitance 34 and a resistive divider 35, which is connected to the first input of the microprocessor 36, as well as a level generator for the variable component of the photodetector signal 15, consisting of a capacitor 37, a resistor 38, a full-wave rectifier 39, a capacitance 40, which is connected to the second input of the microprocessor 36.
Другой электронный канал электронного блока точного канала 16 содержит фотоприемник 29, предварительный усилитель 41, резистивный делитель 42, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 29, состоящий из резистора 43, емкости 44 резистивного делителя 45, который подсоединен к третьему входу микропроцессора 36, а также формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 29, состоящий из емкости 46, резистора 47, двухполупериодного выпрямителя 48, емкости 49, которая подсоединена к четвертому входу микропроцессора 36. Микропроцессор 36 подсоединен к плате интерфейса 50, которая подсоединена к цифровому индикатору 51. Электронный блок 16 содержит источник питания 52 и тепловое реле с миниатюрным нагревателем 53.Another electronic channel of the electronic block of the precise channel 16 contains a photodetector 29, a pre-amplifier 41, a resistive divider 42, a constant component shaper of the photodetector signal 29, consisting of a resistor 43, a capacitance 44 of a resistive divider 45, which is connected to the third input of the microprocessor 36, as well as a level shaper variable component of the signal of the photodetector 29, consisting of a capacitor 46, a resistor 47, a full-wave rectifier 48, a capacitance 49, which is connected to the fourth input of the microprocessor 36. The microprocessor 36 is connected to the interface board 50, which is connected to the digital indicator 51. The electronic unit 16 contains a power source 52 and a thermal relay with a miniature heater 53.
Электронный блок грубого оптического канала 26 (фиг.3) содержит также два одинаковых электронных канала.The electronic block of the rough optical channel 26 (Fig. 3) also contains two identical electronic channels.
Один электронный канал содержит фотоприемник 25, предварительный усилитель 54, резистивный делитель 55, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 25, состоящий из резистора 56, емкости 57 и резистивного делителя 58. Делитель 58 подсоединен к первому входу микропроцессора 59. Формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 25 состоит из емкости 60, резистора 61, двухполупериодного выпрямителя 62, емкости 63, которая подсоединена ко второму входу микропроцессора 59.One electronic channel contains a photodetector 25, a pre-amplifier 54, a resistive divider 55, a constant component signal generator of the photodetector 25, consisting of a resistor 56, a capacitance 57 and a resistive divider 58. The divider 58 is connected to the first input of the microprocessor 59. The level generator of the variable component of the photodetector signal 25 consists of a capacitor 60, a resistor 61, a full-wave rectifier 62, a capacitance 63, which is connected to the second input of the microprocessor 59.
Другой электронный канал электронного блока грубого канала 26 содержит фотоприемник 30, предварительный усилитель 64, резистивный делитель 65, формирователь постоянной составляющей сигнала фотоприемника 30, состоящий из резистора 66, емкости 67 и резистивного делителя 68, подсоединенному к третьему входу микропроцессора 59.Another electronic channel of the electronic block of the coarse channel 26 contains a photodetector 30, a pre-amplifier 64, a resistive divider 65, a constant component generator of the photodetector signal 30, consisting of a resistor 66, a capacitance 67 and a resistive divider 68 connected to the third input of the microprocessor 59.
Формирователь уровня переменной составляющей сигнала фотоприемника 30 состоит из емкости 69, резистора 70, двухполупериодного выпрямителя 71, емкости 72, которая подсоединена к четвертому входу микропроцессора 59. Микропроцессор 59 подсоединен к плате интерфейса 73 и к цифровому индикатору 74. Электронный блок 26 содержит свой источник питания 75. Электронный блок грубого канала 26 содержит дополнительно сумматор 76 с емкостью 77 для формирования усредненного значения постоянной составляющей сигналов фотоприемников 25 и 30, а также дополнительный микропроцессор 78, к входам «вх.1» и «вх.3» которого подключены соответственно резисторы R55 и R65, а к входам «вх.2» и «вх.4» подключен выход сумматора 76 (емкость С77). К микропроцессору 78 подключен генератор синхроимпульсов 79 для управления моментом и числом выборок (числом измерений тока за период колебаний переменного тока сети). К выходам микропроцессора 78 подключены интерфейсы 80 и 81 для трансляции измеренных токов с помощью протоколов связи МЕК 61850-9-2.The level generator of the variable component of the signal of the photodetector 30 consists of a capacitance 69, a resistor 70, a full-wave rectifier 71, a capacitance 72, which is connected to the fourth input of the microprocessor 59. The microprocessor 59 is connected to the interface board 73 and to the digital indicator 74. The electronic unit 26 contains its own power source R 55 and R 65 , and the output of the adder 76 (capacitance C 77 ) is connected to the inputs “input 2” and “input 4”. A clock generator 79 is connected to the microprocessor 78 to control the torque and the number of samples (the number of current measurements during the period of oscillations of the alternating current of the network). Interfaces 80 and 81 are connected to the outputs of microprocessor 78 for broadcasting measured currents using MEK 61850-9-2 communication protocols.
Для закрытых подстанций и для других энергоустановок, расположенных в помещениях с нормальными климатическими условиями эксплуатации предусмотрен вариант конструктивного исполнения, при котором источники света 7, 17 (фиг.1), фотоприемники 15, 25 и 29, 30, а также электронные блоки 16 и 26 расположены внутри общей подставки 82.For closed substations and for other power plants located in rooms with normal climatic operating conditions, a design option is provided in which light sources 7, 17 (Fig. 1), photodetectors 15, 25 and 29, 30, as well as electronic units 16 and 26 located inside the common stand 82.
Для открытых подстанций с жесткими климатическими условиями эксплуатации предусмотрен вариант конструкции, при котором используются волоконные световоды 8, 14, 27, 18, 24, 28 (фиг.1) большой длины, а источники света 7, 17, фотоприемники 15, 25 и 29, 30, а также электронные блоки 16 и 26 расположены в отдельном шкафу (на чертежах не показан), внутри которого расположены датчик температуры, реле и нагреватель.For open substations with harsh climatic operating conditions, a design option is provided in which long-length fiber light guides 8, 14, 27, 18, 24, 28 (Fig. 1) are used, and light sources 7, 17, photodetectors 15, 25 and 29, 30, as well as electronic units 16 and 26, are located in a separate cabinet (not shown in the drawings), inside which a temperature sensor, relay and heater are located.
Измеритель тока оптический многоканальный для высоковольтных сетей работает следующим образом.A multichannel optical current meter for high-voltage networks works as follows.
Работа точного канала.Precise channel operation.
Свет от источника 7 (фиг.1), который как правило частично поляризован, с помощью многомодового волоконного световода 8 подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 9.Light from the source 7 (Fig. 1), which is usually partially polarized, is supplied to the focal plane of the collimating lens 9 using a multimode fiber light guide 8.
Многомодовый волоконный световод 8 для частично поляризованного света является идеальным деполяризатором. Поэтому вышедший из многомодового волоконного световода 8 расходящийся пучок света можно представить вектором Стокса, характеризующим неполяризованный светMultimode optical fiber 8 for partially polarized light is an ideal depolarizer. Therefore, the diverging beam of light emerging from the multimode fiber light guide 8 can be represented by the Stokes vector, which characterizes unpolarized light
) )
где - интенсивность света источника 7;Where - light intensity of source 7;
- коэффициент передачи света волоконного световода с учетом виньетирования. - light transmission coefficient of the optical fiber taking into account vignetting.
Коллимирующая линза 9 преобразует расходящийся пучок света в коллимируемый. После прохождения света через поляризатор 10 свет становится линейно поляризованных с азимутом поляризации 0°, что видно из перемножения известных матриц [8]:The collimating lens 9 converts the diverging beam of light into a collimated one. After light passes through the polarizer 10, the light becomes linearly polarized with a polarization azimuth of 0°, as can be seen from the multiplication of known matrices [8]:
Если по фрагменту проводника 6 не протекает ток, а на призму 11 нет механических или термических нагрузок, то по воздействию на поляризованный свет призму 11 можно представить матрицей изотропного вещества [8]:If no current flows through the fragment of conductor 6, and there are no mechanical or thermal loads on prism 11, then in terms of its effect on polarized light, prism 11 can be represented as a matrix of an isotropic substance [8]:
- общий коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 11 для горизонтально поляризованного света. - the overall reflectance of the mirror surfaces of the prism is 11 for horizontally polarized light.
Поэтому после четырехкратного прохождения коллимированного линейно поляризованного света через призму 11 состояние поляризации света не изменится, что можно представить вектором СтоксаTherefore, after collimated linearly polarized light passes through prism 11 four times, the polarization state of the light will not change, which can be represented by the Stokes vector
Далее коллимированный линейно поляризованный пучок света проходит призму Волластона 12 и разделяется ею под углом 2β на два линейно поляризованных пучка света, которые можно представить векторами Стокса , согласно уравнениям:Next, the collimated linearly polarized beam of light passes through the Wollaston prism 12 and is divided by it at an angle of 2β into two linearly polarized beams of light, which can be represented by Stokes vectors , according to the equations:
Из уравнений (30) и (31) видно, что в идеале разделенные призмой Волластона 12 пучки света имеют одинаковые интенсивностиFrom equations (30) and (31) it is clear that ideally the light beams separated by a Wollaston prism 12 have the same intensities
и соответственно азимуты линейной поляризации +45° и -45° по отношению к первому поляризатору 10. Линза 13 фокусирует разделенные призмой Волластона 12 пучки света соответственно на торцы волоконных световодов 14 и 27, которые деполяризуют свет и передают его соответственно фотоприемникам 15, 29. На выходе фотоприемников 15, 29 при их равной чувствительности получаем равные по амплитуде электрические сигналы, пропорциональные постоянной составляющей светаand, accordingly, the azimuths of linear polarization are +45° and -45° with respect to the first polarizer 10. Lens 13 focuses light beams separated by Wollaston prism 12, respectively, onto the ends of fiber light guides 14 and 27, which depolarize the light and transmit it to photodetectors 15, 29, respectively. At the output of photodetectors 15, 29, with their equal sensitivity, we obtain electrical signals of equal amplitude, proportional to the constant component of light
Однако, на практике при передаче света в волоконных световодах 14, 27 на их торцах может происходить дополнительное и неравное виньетирование, а чувствительности фото приемников 15, 29 могут отличаться между собой.However, in practice, when transmitting light in optical fibers 14, 27, additional and unequal vignetting may occur at their ends, and the sensitivities of photo receivers 15, 29 may differ from each other.
Поэтому в процессе наладки с помощью резисторов R32 и R42 (фиг.2) устанавливают равенство сигналов (33).Therefore, during the adjustment process, using resistors R 32 and R 42 (Fig. 2), the signals (33) are equal.
Если на призму 11 (фиг.1) не действуют градиенты температуры, механические нагрузки, а по фрагменту проводника 6 сети протекает переменный ток частоты со сети то призму 11, находящуюся в продольном магнитном поле проводника 6 по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей ротатора [8]If the prism 11 (Fig. 1) is not affected by temperature gradients or mechanical loads, and an alternating current frequency from the network flows through a fragment of the network conductor 6 then prism 11, located in the longitudinal magnetic field of conductor 6, in terms of its effect on linearly polarized light, can be represented by a rotator matrix [8]
где - максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света;Where - maximum amplitude of the angle of rotation of the plane of polarization of light;
- общий коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 11 для одной горизонтальной компоненты линейно поляризованного света; - the total reflection coefficient of the mirror surfaces of the prism 11 for one horizontal component of linearly polarized light;
- частота сети (50 Гц). - network frequency (50 Hz).
В этом случае интенсивности света можно найти из уравненийIn this case the light intensity can be found from the equations
А именно:Namely:
Световые потоки фотоприемниками 15 и 29 преобразуются в электрические сигналы соответственноLight streams photodetectors 15 and 29 are converted into electrical signals, respectively
После предварительного усилителя 31 (фиг.2) электрический сигнал (39) разделяется на постоянную составляющую и переменную составляющую Формирователь постоянной составляющей с помощью резистора R33 и емкости С34 интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 15 и с помощью делителя R35 в виде потенциала подается на «вход 1» микропроцессора 36.After the pre-amplifier 31 (Fig. 2), the electrical signal (39) is divided into a constant component and variable component The constant component shaper, using resistor R 33 and capacitance C 34, integrates (smoothes) the signal of the photodetector 15 and, using a divider R 35, in the form of a potential supplied to “input 1” of microprocessor 36.
Переменная составляющая сигнала (39) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (емкость С37 и резистор R38), детектируется двухполупериодным детектором 39, сглаживается емкостью С40 и в виде потенциала подается на «вход 2» микропроцессора 36.The variable component of the signal (39) is filtered using a differential circuit (capacitance C 37 and resistor R 38 ), detected by a full-wave detector 39, smoothed by capacitance C 40 and in the form of a potential supplied to “input 2” of microprocessor 36.
После предварительного усилителя 41 электрический сигнал (40) также разделяется на постоянную составляющую и переменную составляющую After the preamplifier 41, the electrical signal (40) is also divided into a DC component and variable component
Формирователь постоянной составляющей с помощью резистора R43 и емкости С44 интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 29 и с помощью делителя R45 в виде потенциала подается на «вход 3» микропроцессора 36.The constant component shaper, using resistor R 43 and capacitor C 44, integrates (smoothes) the signal of the photodetector 29 and, using divider R 45, in the form of a potential supplied to “input 3” of microprocessor 36.
Переменная составляющая сигнала (40) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (емкость С46 и резистор R47), детектируется двухполупериодным детектором 48, сглаживается емкостью С49 и в виде потенциала подается на «вход 4» микропроцессора 36.The variable component of the signal (40) is filtered using a differential circuit (capacitance C 46 and resistor R 47 ), detected by a full-wave detector 48, smoothed by capacitance C 49 and in the form of a potential supplied to “input 4” of microprocessor 36.
Микропроцессор 36 вычисляет отношение потенциаловMicroprocessor 36 calculates the potential ratio
находит их среднеарифметическое значениеfinds their arithmetic mean
вычисляет угол поворота плоскости поляризацииcalculates the angle of rotation of the plane of polarization
умножает на постоянный конструктивный коэффициент K и находит величину измеряемого токаmultiplies by a constant design factor K and finds the value of the measured current
В реальных условиях эксплуатации предлагаемого устройства стеклянная призма 11 (фиг.1), как правило, испытывает небольшие термические или механические нагрузки, в результате чего в стекле призмы 11 возникает двойное лучепреломление и призму 11 можно рассматривать как эквивалентную фазовую пластинку с произвольной ориентацией главных осей ϕ, вносящей разность фаз δ между компонентами поляризованного света [8]. В общем случае эта эквивалентная фазовая пластинка может быть представлена табличной матрицей общего вида [8]. Но учитывая, что фотоупругий коэффициент стекла мал и, как показали исследования, вносимая нагрузками разность фаз δ ≤ 5°, матрицу стеклянной призмы 11 можно представить в упрощенном видеIn real operating conditions of the proposed device, glass prism 11 (Fig. 1), as a rule, experiences small thermal or mechanical loads, as a result of which birefringence occurs in the glass of prism 11 and prism 11 can be considered as an equivalent phase plate with an arbitrary orientation of the main axes ϕ , introducing a phase difference δ between the components of polarized light [8]. In the general case, this equivalent phase plate can be represented by a table matrix of a general form [8]. But considering that the photoelastic coefficient of glass is small and, as studies have shown, the phase difference introduced by loads is δ ≤ 5°, the glass prism matrix 11 can be represented in a simplified form
В этом случае в отсутствии тока в соленоиде 6 после четырехкратного прохождения горизонтально поляризованного света через призму 11 на ее выходе свет будет характеризоваться вектором СтоксаIn this case, in the absence of current in solenoid 6, after horizontally polarized light passes four times through prism 11, at its output the light will be characterized by the Stokes vector
Следовательно, в отсутствии тока в соленоиде 6 после призмы Волластона 12 равенство (32) нарушается и интенсивности , пришедшие на фотоприемники 15, 29 не будут равными между собой.Consequently, in the absence of current in solenoid 6 after Wollaston prism 12, equality (32) is violated and the intensity , arriving at photodetectors 15, 29 will not be equal to each other.
А именноNamely
где - коэффициенты передачи света волоконными световодами 14, 27 соответственно.Where - light transmission coefficients by fiber light guides are 14, 27, respectively.
При наличии тока в соленоиде 6 на выходах предварительных усилителей 31 и 41 (фиг.2) будут электрические сигналыIf there is current in solenoid 6, there will be electrical signals at the outputs of pre-amplifiers 31 and 41 (Fig. 2)
Выражения (50), (51) можно представить в видеExpressions (50), (51) can be represented in the form
где Where
- потенциалы на емкостях С40 и С49 (фиг.2). Микропроцессор 36 вычисляет отношения потенциалов которые пропорциональны переменным составляющим, относительно постоянным составляющим - potentials on capacitors C 40 and C 49 (Fig. 2). Microprocessor 36 calculates potential ratios which are proportional to the variable components, relatively constant components
и среднеарифметические их значенияand their arithmetic mean values
величину угла поворота плоскости поляризации а также величину измеренного тока (45) the magnitude of the rotation angle of the plane of polarization as well as the value of the measured current (45)
Из выражений (48), (49) и (52), (53) видно, что благодаря нормированию сигналов относительные величины Q1 и Q2 не зависят от уровня интенсивности света и от общего коэффициента пропускания света но существенно зависят от разности фаз δ, причем, если Q1 уменьшается на величину то Q2 приблизительно на такую же величину увеличивается.From expressions (48), (49) and (52), (53) it is clear that due to the normalization of the signals, the relative values of Q1 and Q 2 do not depend on the level of light intensity and from the total light transmittance but significantly depend on the phase difference δ, and if Q1 decreases by the amount then Q 2 increases by approximately the same amount.
Следовательно, после вычисления среднеарифметического значения Q влияние разности фаз δ на отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей сигналов фото приемников 15, 29 будет практически скомпенсировано.Consequently, after calculating the arithmetic mean value of Q, the influence of the phase difference δ on the ratio Q of the variable component to the constant component of the signals of photo receivers 15, 29 will be practically compensated.
Например, при ϕ = ±22,5° (худший вариант) и δ = ±5° (реальные значения) ошибки значений Qt и Q2 в отдельности согласно формулам (51), (52) будутFor example, with ϕ = ±22.5° (worst case) and δ = ±5° (real values), the errors in the values of Q t and Q 2 separately according to formulas (51), (52) will be
После нахождения среднеарифметического значенияAfter finding the arithmetic mean
ошибка всего +0,0005168, то есть в 45 раз меньше.the error is only +0.0005168, that is, 45 times less.
Для наглядности выразим рассматриваемые ошибки через токи.For clarity, we express the errors under consideration in terms of currents.
Допустим при токе в сети i=500А и при температуре воздуха t = 20°С измерена величина тогда конструктивный коэффициент В этом случае ошибка -0,0222255 в определении Q1 пропорциональна ошибке Δα = 0,63676 в измерении тока Δi1 = 0,63676⋅78,553=50 А (10,0%), ошибка в определении Q2 пропорциональна току Δi2 = 0,66638⋅78,552=52,34 А (примерно на 10,5%). А после нахождения среднеарифметического значения Q = 0,5(Q1+Q2)Let us assume that at a current in the network i = 500 A and at an air temperature t = 20 ° C the value is measured then the design factor In this case, the error -0.0222255 in determining Q 1 is proportional to the error Δα = 0.63676 in measuring the current Δi 1 = 0.63676⋅78.553=50 A (10.0%), the error in determining Q 2 is proportional to the current Δi 2 = 0.66638⋅78.552=52.34 A (by about 10.5%). And after finding the arithmetic mean value Q = 0.5(Q 1 +Q 2 )
То есть после нахождения среднеарифметического значения Q погрешность измерения тока i уменьшается в 45 раз! Результаты точных измерений тока транслируются внешним устройствам в коде RS-485 или RS-422 по интерфейсу 50 и индицируются цифровым индикатором 51. Таким образом, точный канал предлагаемого устройства обеспечивает точные измерения переменного тока в высоковольтных сетях для коммерческого учета электроэнергии не хуже ±0,2% даже при воздействии предельных температур.That is, after finding the arithmetic mean value Q, the error in measuring current i decreases by 45 times! The results of precise current measurements are transmitted to external devices in RS-485 or RS-422 code via interface 50 and indicated by a digital indicator 51. Thus, the precise channel of the proposed device provides accurate measurements of alternating current in high-voltage networks for commercial electricity metering no worse than ±0.2 % even when exposed to extreme temperatures.
Работа грубого канала.The work of the rough channel.
Конструктивно оптико-механическая часть грубого канала (фиг.1, проекция Б-Б) отличается от точного канала только тем, что призма 21 (фиг.1) выполнена, например, из легкого крона, у которого постоянная Верде примерно в четыре раза меньше, чем, например, у стекла ТФ5 призмы 11 точного канала. Поэтому его принцип работы подобен работе точного канала. А именно. Свет от источника 17 по многомодовому волоконному световоду 18 подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 19. Вышедший из волоконного световода 18 расходящийся пучок света линзой 19 преобразуется в коллимированный, проходит поляризатор 20 и становится линейно поляризованным с азимутом поляризации 0°.Structurally, the optical-mechanical part of the coarse channel (Fig. 1, projection B-B) differs from the precise channel only in that the prism 21 (Fig. 1) is made, for example, of light crown, whose Verdet constant is approximately four times less, than, for example, TF5 glass prism 11 precise channel. Therefore, its operating principle is similar to that of a precision channel. Namely. Light from the source 17 is fed through a multimode fiber light guide 18 to the focal plane of the collimating lens 19. The divergent beam of light emerging from the fiber light guide 18 is converted into a collimated beam by the lens 19, passes through the polarizer 20 and becomes linearly polarized with a polarization azimuth of 0°.
Если по фрагменту проводника 6 не протекает ток, то после четырехкратного прохождения коллимированного линейно поляризованного пучка света через призму 21 состояние поляризации света не изменится (29), и разделенные призмой Волластона 22 пучки света имеют одинаковые интенсивности (32). Линза 23 фокусирует разделенные призмой Волластона 22 пучки света на торцы волоконных световодов 24, 28, которые передают их соответствующим фотоприемникам 25 и 30. В принципе при равных чувствительностях фотоприемников 25 и 30 и отсутствии эффекта виньетирования света на торцах волоконных световодов 24, 28 на выходах фотоприемников 25, 30 получаем равные по амплитуде электрические сигналы (33). Но на практике на выходе фотоприемников 25, 30 их сигналы могут оказаться неравными. Поэтому в процессе наладки с помощью резисторов R55 и R65 (фиг.3) устанавливают равенство потенциалов U1 и U2 (33).If no current flows through the fragment of conductor 6, then after a collimated linearly polarized beam of light passes through prism 21 four times, the state of light polarization will not change (29), and the light beams separated by Wollaston prism 22 have the same intensities (32). Lens 23 focuses light beams separated by Wollaston prism 22 onto the ends of fiber light guides 24, 28, which transmit them to the corresponding photodetectors 25 and 30. In principle, with equal sensitivities of photodetectors 25 and 30 and the absence of light vignetting at the ends of fiber light guides 24, 28 at the outputs of photodetectors 25, 30 we obtain electrical signals of equal amplitude (33). But in practice, at the output of photodetectors 25, 30, their signals may turn out to be unequal. Therefore, during the adjustment process, using resistors R 55 and R 65 (Fig. 3), the potential equality of U 1 and U 2 (33) is established.
Если по фрагменту проводника 6 (фиг.1) протекает переменный ток сети то призму 21 по воздействию на поляризованный свет можно представить матрицейIf alternating current flows through a fragment of conductor 6 (Fig. 1) then prism 21 in terms of its effect on polarized light can be represented by a matrix
7) 7)
где - коэффициент учитывающий уменьшения эффекта Фарадея в стекле призмы 21 по сравнению со стеклом призмы 11 точного канала;Where - coefficient taking into account the reduction of the Faraday effect in the glass of the prism 21 compared to the glass of the prism 11 of the precision channel;
- постоянные Верде соответственно стекла призмы 21 и 11; - Verdet constants of prism glasses 21 and 11, respectively;
- максимальная амплитуда угла поворота плоскости поляризации света призмой 11; - maximum amplitude of the angle of rotation of the plane of polarization of light by prism 11;
- суммарный коэффициент отражения зеркальных поверхностей призмы 21 для одной горизонтальной компоненты линейно поляризованного света; - the total reflection coefficient of the mirror surfaces of the prism 21 for one horizontal component of linearly polarized light;
- частота сети (50 Гц). В этом случае интенсивности разделенных пучков света после призмы Волластона 22 будут изменяться по законам - network frequency (50 Hz). In this case, the intensity of the separated light beams after the Wollaston prism 22 will change according to the laws
а электрические сигналы на резисторах R55 и R65 соответственно по законамand electrical signals on resistors R 55 and R 65 , respectively, according to the laws
После предварительного усилителя 54 (фиг.3) электрический сигнал (60) разделяется на постоянную составляющую U0 и переменную составляющую Формирователь постоянной составляющей с помощью резистора R56 и емкости С57 интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 25 и с помощью делителя R58 в виде потенциала U0 подается на «вх.1» микропроцессора 59.After the pre-amplifier 54 (Fig. 3), the electrical signal (60) is divided into a constant component U 0 and an alternating component The constant component shaper, using a resistor R 56 and a capacitor C 57 , integrates (smoothes) the signal of the photodetector 25 and, using a divider R 58 in the form of a potential U 0, is supplied to “input 1” of the microprocessor 59.
Переменная составляющая сигнала (60) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (С60, R61), детектируется двухполупериодным детектором 62, сглаживается емкостью С63 и в виде потенциала U~ подается на «вх.2» микропроцессора 59.The variable component of the signal (60) is filtered using a differential chain (C 60 , R 61 ), detected by a full-wave detector 62, smoothed by capacitance C 63 and in the form of a potential U ~ is supplied to “input 2” of the microprocessor 59.
После предварительного усилителя 64 электрический сигнал (61) также разделяется на постоянную составляющую U0 и переменную составляющую After the pre-amplifier 64, the electrical signal (61) is also divided into a constant component U 0 and an alternating component
Формирователь постоянной составляющей (резистор R66, емкость Сб7) интегрирует (сглаживает) сигнал фотоприемника 30 и с помощью делителя R68 в виде потенциала подается на «вх.3» микропроцессора 59.The constant component shaper (resistor R 66 , capacitance C b7 ) integrates (smoothes) the signal of the photodetector 30 and, using a divider R 68, in the form of a potential supplied to “input 3” of microprocessor 59.
Переменная составляющая сигнала (58) отфильтровывается с помощью дифференциальной цепочки (емкость С69 и резистор R70), детектируется двухполупериодным детектором 71 и в виде потенциала подается на «вх.4» микропроцессора 59.The variable component of the signal (58) is filtered using a differential circuit (capacitance C 69 and resistor R 70 ), detected by a full-wave detector 71 and in the form of a potential supplied to “input 4” of microprocessor 59.
Микропроцессор 59 вычисляет отношение потенциаловMicroprocessor 59 calculates the potential ratio
угол поворота плоскости поляризации учитывает постоянные коэффициенты N, K и находит величину измеренного токаangle of rotation of the plane of polarization takes into account constant coefficients N, K and finds the value of the measured current
Но, как уже отмечалось, при рассмотрении работы точного канала в реальных условиях эксплуатации стеклянная призма 21 (фиг.1) грубого канала также может испытывать термические или механические нагрузки, в результате чего при наличии тока в соленоиде 6 на выходах предварительных усилителей 54, 64 (фиг.3) будут действовать электрические сигналыBut, as already noted, when considering the operation of the fine channel in real operating conditions, the glass prism 21 (Fig. 1) of the coarse channel can also experience thermal or mechanical loads, as a result of which, in the presence of current in the solenoid 6 at the outputs of the pre-amplifiers 54, 64 ( Fig.3) electrical signals will operate
где - разность фаз между компонентами поляризованного света, наведенная нагрузками в призме 21 (фиг.1);Where - phase difference between the components of polarized light induced by loads in the prism 21 (Fig. 1);
- направление главных осей эквивалентной фазовой пластинки, которой является призма 21. - the direction of the main axes of the equivalent phase plate, which is prism 21.
В призме 21 из стекла К8 также можно считать а ϕ - произвольная величина. В худшем варианте In prism 21 made of K8 glass can also be considered and ϕ is an arbitrary value. At worst
Поэтому выражения (65), (66) можно представить в видеTherefore, expressions (65), (66) can be represented in the form
где - уровень сигнала на емкости С63 (на «вх.2» микропроцессора 59) (фиг.3), пропорциональный величине тока сети;Where - signal level at capacitance C 63 (at “input 2” of microprocessor 59) (Fig. 3), proportional to the magnitude of the network current;
- предельная величина влияния двойного лучепреломления в стекле призмы 21. - the limiting value of the influence of birefringence in the glass of prism 21.
Микропроцессор 59 вычисляет отношенияMicroprocessor 59 calculates the ratios
их среднеарифметические значения (53)their arithmetic averages (53)
Вычисляет угол поворота плоскости поляризации а также величину измеренного тока (64)Calculates the angle of rotation of the plane of polarization as well as the value of the measured current (64)
Например, по соленоиду 6 (фиг.1) протекает эталонный ток i = 529 А, призма 21 выполнена из стекла К8 таких же размеров, что и призма 11 точного канала, тогда микропроцессор 29 вычисляет:For example, a reference current i = 529 A flows through solenoid 6 (Fig. 1), prism 21 is made of glass K8 of the same dimensions as prism 11 of the precision channel, then the microprocessor 29 calculates:
Сравнивая измеренный ток с эталонным током находим, что благодаря наличию призмы Волластона 22 точность измерения тока в грубом канале также находится в пределах ±0,2%, что соответствует ГОСТ 7746-2001 относительно требований, предъявляемым к измерителям тока для коммерческого учета.Comparing the measured current with reference current we find that due to the presence of the Wollaston prism 22, the accuracy of current measurement in the rough channel is also within ±0.2%, which corresponds to GOST 7746-2001 regarding the requirements for current meters for commercial metering.
Приведенный пример показывает, что при номинальном токе в сети, например, когда в точном канале то есть на пределе линейного участка функции I = ƒ (α) (37), (38), то в грубом канале всего и точность измерения тока ±0,2% сохраняется до максимальной токовой защиты The above example shows that at the rated current in the network, for example, when in the exact channel that is, at the limit of the linear section of the function I = ƒ (α) (37), (38), then in the rough channel there is only and current measurement accuracy of ±0.2% is maintained up to maximum current protection
Если учесть, что для релейной защиты ГОСТ 7746-2001 допускает применение измерителей тока с классом точности 5Р и даже 10Р, то для измерения токов короткого замыкания допустимо αКЗ ≈ 30° и соответственно (кратность тока 18,5).If we take into account that for relay protection GOST 7746-2001 allows the use of current meters with an accuracy class of 5P and even 10P, then for measuring short circuit currents α short circuit ≈ 30° is permissible and, accordingly (current ratio 18.5).
То есть наличие грубого канала позволяет измерять ток с точностью ±0,2% и таким образом дублировать точный канал, а также измерять ток с классом точности Р10 в случаях превышения номинального тока в 18,5 раза, что достаточно при токах МТЗ или КЗ. С началом переходного процесса при коротком замыкании, когда возникает ударный ток и апериодическая составляющая на «вх.1» и «вх.3» дополнительного микропроцессора 78 (фиг.3) поступают электрические сигналы пропорциональные току i сети, соответственно от фотоприемников 25 и 30, показанные на фиг.4 и фиг.5.That is, the presence of a coarse channel allows you to measure current with an accuracy of ±0.2% and thus duplicate the precise channel, as well as measure current with accuracy class P10 in cases where the rated current is exceeded by 18.5 times, which is sufficient for overcurrent or short-circuit currents. With the onset of the transient process during a short circuit, when a shock current occurs and aperiodic component “input 1” and “input 3” of the additional microprocessor 78 (Fig. 3) receive electrical signals proportional to the network current i, respectively, from photodetectors 25 and 30, shown in Fig. 4 and Fig. 5.
В связи с тем, что призма Волластона 22 (фиг.1) является поляризатором, у которого плоскости пропускания для разведенных ею лучей составляют углы ±45° по отношению к плоскости пропускания первого поляризатора 20, то интенсивности света I1 и I2 разделенных пучков будут изменяться в противофазе. Следовательно, электрические сигналы на резисторах R55, R65 и на «вх.1», «вх.3» микропроцессора 78 (фиг.3) также будут изменяться в противофазе (65), (66). Так, например, если момент короткого замыкания наступает при положительном полупериоде тока i и на резисторе R55 сигнал возрастает из-за апериодической составляющей до уровня (фиг.4), затем быстро спадает до уровня то в это же время на резисторе R65 сигнал уменьшается до уровня (фиг.5) относительно из-за апериодической составляющей Ua, а затем быстро возрастает до уровня .Due to the fact that the Wollaston prism 22 (Fig. 1) is a polarizer, in which the transmission planes for the beams separated by it make up angles of ±45° with respect to the transmission plane of the first polarizer 20, the light intensities I 1 and I 2 of the separated beams will be change in antiphase. Consequently, the electrical signals on resistors R 55 , R 65 and on “input 1”, “input 3” of microprocessor 78 (Fig. 3) will also change in antiphase (65), (66). So, for example, if the moment of short circuit occurs with a positive half-cycle of current i and on resistor R 55 the signal increases due to the aperiodic component to level (Fig.4), then quickly drops to the level then at the same time the signal on resistor R 65 decreases to the level (Fig.5) relatively due to the aperiodic component U a , and then quickly increases to the level .
Если короткое замыкание наступает в моменте действия отрицательного полупериода, то полярность апериодической составляющей меняется и кривые, показанные на фиг.4 и фиг.5 меняются местами. В среднем переходный процесс короткого замыкания длится не более 0,08 сек, а время нарастания ударного тока менее 0,01 сек. Поэтому измерение ударного тока и апериодической составляющей производится не менее 80 раз за период колебаний тока в сети, то есть не менее 4000 раз в секунду следующим образом.If a short circuit occurs at the moment of the negative half-cycle, then the polarity of the aperiodic component changes and the curves shown in Fig. 4 and Fig. 5 are swapped. On average, the short circuit transient process lasts no more than 0.08 seconds, and the rise time of the shock current is less than 0.01 seconds. Therefore, the measurement of the surge current and the aperiodic component is carried out at least 80 times during the period of current oscillations in the network, that is, at least 4000 times per second as follows.
Синхроимпульсы частотой 4 кГц от генератора 79 (фиг.3) подаются на «вх.5» микропроцессора 78. С приходом каждого импульса микропроцессор 78 вычисляет отношение Q1 и Q2 уровней сигналов U1 (65) и U2 (66), поступивших от резисторов R55 и R65, к их сумме U0 = U1 + U2, поступившей от емкости С77, служащей интегратором на выходе сумматора 76, а также отношения Q1 Q2, умножает на постоянный коэффициент D. С выхода микропроцессора 78 «вых.1» и «вых.2» измеренные мгновенные значения токов каждой выборкиSynchronizing pulses with a frequency of 4 kHz from the generator 79 (Fig. 3) are supplied to “input 5” of the microprocessor 78. With the arrival of each pulse, the microprocessor 78 calculates the ratio of Q 1 and Q 2 levels of the signals U 1 (65) and U 2 (66) received from resistors R 55 and R 65 , to their sum U 0 = U 1 + U 2 , received from capacitance C 77 , which serves as an integrator at the output of the adder 76, as well as the ratio Q 1 Q 2 , multiplied by a constant coefficient D. From the output of the microprocessor 78 “output 1” and “output 2” measured instantaneous current values of each sample
в коде RS485 поступают на блоки интерфейса 80, 81, преобразуются в код МЕК 61850-9-2 и транслируются устройствам релейной защиты и автоматики.in RS485 code are sent to interface blocks 80, 81, converted to MEK 61850-9-2 code and transmitted to relay protection and automation devices.
Предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с известными устройствами, решающими подобные задачи.The proposed device has a number of advantages compared to known devices that solve similar problems.
Во-первых, наличие призм Волластона как в точном, так и в грубом оптических каналах позволяет производить компенсацию наведенного термическими нагрузками двойного лучепреломления в стеклянных призмах 11, 21 (фиг.1), что существенно повышает точность измерений, благодаря чему грубый канал можно использовать в качестве резервного для коммерческого учета, а также для точных импульсных измерений ударного тока и апериодической составляющей при коротком замыкании.Firstly, the presence of Wollaston prisms in both the fine and coarse optical channels makes it possible to compensate for birefringence induced by thermal loads in glass prisms 11, 21 (Fig. 1), which significantly increases the accuracy of measurements, due to which the coarse channel can be used in as a backup for commercial metering, as well as for precise pulse measurements of surge current and aperiodic component during a short circuit.
Использование призм Волластона в качестве вторых поляризаторов 12 и 22 позволило иметь два электронных канала обработки сигналов фотоприемников в точном оптическом канале и четыре электрические каналы в грубом оптическом канале, из которых два такие же как в точном оптическом канале и два высокочастотные импульсные для фиксации ударного тока при коротком замыкании в сети. Получается, что каждый канал выполняет функции отдельного прибора, что повышает надежность и точность измерений.The use of Wollaston prisms as second polarizers 12 and 22 made it possible to have two electronic channels for processing photodetector signals in the fine optical channel and four electrical channels in the coarse optical channel, two of which are the same as in the fine optical channel and two high-frequency pulsed ones for fixing the shock current at short circuit in the network. It turns out that each channel performs the functions of a separate device, which increases the reliability and accuracy of measurements.
Во-вторых, в качестве магниточувствительных элементов ячейки Фарадея точного и грубого каналов использованы стеклянные призмы BP-180° из различных сортов стекол, например, ТФ4 и К8, но одинаковых геометрических размеров, что позволяет унифицировать производство двухканальных ячеек Фарадея.Secondly, BP-180° glass prisms made from different types of glass, for example, TF4 and K8, but of the same geometric dimensions, are used as magnetically sensitive elements of the Faraday cell of the fine and coarse channels, which allows us to unify the production of two-channel Faraday cells.
В-третьих, с целью сохранения уровня постоянной составляющей сигналов фотоприемников 25, 30 (фиг.3) во время переходного периода короткого замыкания сети предлагаемое устройство содержит сумматор 76, на выходе которого установлена емкость С77. Это позволяет достигать две важные цели:Thirdly, in order to maintain the level of the constant component of the signals of photodetectors 25, 30 (Fig. 3) during the transient period of a network short circuit, the proposed device contains an adder 76, at the output of which a capacitance C 77 is installed. This allows you to achieve two important goals:
- стабилизировать опорный сигнал U0 даже в условиях действия ударного тока, благодаря чему произвести точные измерения апериодической составляющей и ударного тока;- stabilize the reference signal U 0 even under shock current conditions, thereby making accurate measurements of the aperiodic component and shock current;
- произвести компенсацию влияния градиента температур при возникновении линейного двулучепреломления в стекле призмы 21 (фиг.1).- compensate for the influence of the temperature gradient when linear birefringence occurs in the glass of the prism 21 (Fig. 1).
Предлагаемое устройство найдет широкое применение в электроэнергетике, особенно в сетях 110 кВ и выше.The proposed device will find wide application in the power industry, especially in networks of 110 kV and above.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Большая советская энциклопедия, т.26, с. 166.1. Great Soviet Encyclopedia, vol. 26, p. 166.
2. Годжаев Н.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965, с. 30.2. Godzhaev N.M. Optics. Textbook for universities. - M.: Mir, 1965, p. thirty.
3. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976.3. Landsberg G.S. Optics: 5th ed., revised. and additional - M.: Nauka, 1976.
4. Губин В.П., Старостин Н.И., Прижияловский и др. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока // Фотоника. - т.12 №7 и №8, 2018.4. Gubin V.P., Starostin N.I., Prizhiyalovsky et al. Fiber-optic transformers of electric current // Photonics. - Vol. 12 No. 7 and No. 8, 2018.
5. Патент РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24.5. RF patent (utility model) No. 171401, G01R 15/24.
6. Патент РФ №2752341, G01R 15/24.6. RF patent No. 2752341, G01R 15/24.
7. Фрохт М.М. Фотоупругость. Госиздат. М., Л., 1950.7. Frokht M.M. Photoelasticity. Gosizdat. M., L., 1950.
8. Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов: «Машиностроение», М. 1969.8. Vasiliev B.I. Optics of polarizing devices: “Mechanical Engineering”, M. 1969.
9. ГОСТ РМЭК 61850-9-2.9. GOST RMEC 61850-9-2.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2819134C1 true RU2819134C1 (en) | 2024-05-14 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5844409A (en) * | 1993-10-01 | 1998-12-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for measuring an electric current with two light signals propagating in opposite directions, using the Faraday effect |
US6208129B1 (en) * | 1995-12-15 | 2001-03-27 | Siemens Ag | Optical method and arrangement for measuring a periodic value having at least one frequency component |
RU2682133C1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-03-14 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Optical universal current meter |
RU2752341C1 (en) * | 2020-09-25 | 2021-07-26 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" (АО "ЦКБ "ФОТОН") | Optical dual-channel current meter |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5844409A (en) * | 1993-10-01 | 1998-12-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for measuring an electric current with two light signals propagating in opposite directions, using the Faraday effect |
US6208129B1 (en) * | 1995-12-15 | 2001-03-27 | Siemens Ag | Optical method and arrangement for measuring a periodic value having at least one frequency component |
RU2682133C1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-03-14 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Optical universal current meter |
RU2752341C1 (en) * | 2020-09-25 | 2021-07-26 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" (АО "ЦКБ "ФОТОН") | Optical dual-channel current meter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4904931A (en) | Electro-optical voltage measuring system incorporating a method and apparatus to derive the measured voltage waveform from two phase shifted electrical signals | |
US6621258B2 (en) | Electro-optic high voltage sensor | |
JPS58129372A (en) | Magnetic field-light converter | |
RU2700288C1 (en) | Universal optical current meter | |
JP2818301B2 (en) | Method and apparatus for measuring current with two opposite optical signals utilizing Faraday effect | |
US5008611A (en) | Method of eliminating the effects of birefringence from the detection of electric current using Faraday rotation | |
RU2819134C1 (en) | Optical multichannel current meter for high-voltage networks | |
RU2682133C1 (en) | Optical universal current meter | |
US5001419A (en) | Method of deriving an AC waveform from two phase shifted electrical signals | |
RU2627987C1 (en) | Optical ac voltage meter in high-voltage networks | |
RU2663545C1 (en) | Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks | |
RU2723238C1 (en) | Faraday cell for current meters in high-voltage networks | |
Ghosh et al. | Development of a fiber-optic current sensor with range-changing facility using shunt configuration | |
RU2752341C1 (en) | Optical dual-channel current meter | |
RU2767166C1 (en) | Optical interference current meter | |
RU2786621C1 (en) | Optical two-channel current meter for high-voltage networks | |
Yi et al. | A novel bulk-glass optical current transducer having an adjustable multiring closed-optical-path | |
JPH07270505A (en) | Optical fiber type measuring instrument and method | |
CN111812379B (en) | Self-compensation type optical fiber current sensing system | |
CN102590584A (en) | Large current detecting device based on optical means | |
RU2762886C1 (en) | Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks | |
CN110749551B (en) | Coal mine optical fiber current sensor based on polarization analysis | |
JPH08178968A (en) | Optical fiber type measuring apparatus and method | |
US20240369601A1 (en) | Fiber Optic Current Sensor Controller | |
Blake et al. | An optical current transducer having linearity better than 0.4% from 4 to 108,000 A |