Современные высоковольтные оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения
Оглавление
1. Классификации
2. Оптико-электронные трансформаторы с внутренней модуляцией светового потока
3. Оптико-электронные трансформаторы с внешней модуляцией светового потока
4. Принцип работы стержневых оптико-электронных трансформаторов
5. Принцип работы волоконных оптико-электронных трансформаторов
6. Сравнение стержневых и волоконных оптико-электронных трансформаторов
7. Диапазоны измеряемых величин
8. Амплитудно-частотные характеристики
9. Влияние внешних электромагнитных полей
10. Технико-экономические характеристики
Все высоковольтные оптико-электронные трансформаторы состоят из трех составных частей:
— первичного преобразователя, расположенного в зоне высокого потенциала,
— вторичного преобразователя, расположенного в зоне низкого потенциала и
— оптической линии, обеспечивающей надежную связь первичного и вторичного преобразователей.
Первичный преобразователь формирует оптический сигнал, параметры которого несут информацию о мгновенном значении измеряемой величины. Вторичный преобразователь формирует из этого сигнала выходное напряжение в форме удобной для потребителя. Оптическая линия передает сигнал от первичного преобразователя к вторичному и обеспечивает надежную высоковольтную изоляцию между этими преобразователями.
Современные оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения по принципу действия делятся на устройства с внутренней и внешней модуляцией светового потока.
В первую группу входят оптико-электронные устройства, первичный преобразователь которых использует традиционные методы преобразования измеряемой величины в пропорциональное напряжение. Из этого напряжения электронная схема формирует цифровой оптический сигнал, а оптическая линия передает его к вторичному преобразователю.
При измерении тока в первичном преобразователе используют электромагнитные трансформаторы тока, пояса Роговского, резисторные шунты, магнитотранзисторные преобразователи, датчики Холла и др.
При измерении напряжения — используют электромагнитные трансформаторы напряжения, емкостные, резисторные, компенсированные делители напряжения и др.
Во вторую группу входят оптико-электронные устройства, в которых электромагнитные поля измеряемой величины воздействуют на материал первичного преобразователя, по которому распространяется световой поток, так что пропорционально напряженности этих полей изменяются показатели преломления материала и, следовательно, изменяется поляризация прошедшего его светового потока. Оптическая линия передает световой поток к вторичному преобразователю.
При измерении тока его магнитное поле воздействует на первичный преобразователь, изготовленный из стекла, в котором распространяется световой поток. Благодаря магнитооптическому эффекту Фарадея, изменяются показатели преломления стекла и, следовательно, изменяется поляризация прошедшего его светового потока.
При измерении напряжения его электрическое поле, воздействует на электрооптический кристалл первичного преобразователя, в котором распространяется световой поток. Благодаря электрооптическим эффектам Поккельса или электрогирации, изменяются показатели преломления кристалла и, следовательно, изменяется поляризация светового потока.
Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света распространяющегося в веществе вдоль силовых линий внешнего магнитного поля на угол пропорциональный напряженности магнитного поля, длине пути света в веществе и его постоянной Верде.
Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света может быть представлено, как возникновение фазового сдвига между составляющими света, имеющими правую и левую круговые поляризации.
Эффект Поккельса заключается в возникновении двулучепреломления света в кристаллах лишенных центра симметрии под действием внешнего электрического поля. Это приводит к эллиптической поляризации света распространяющегося вдоль оптической оси кристалла, эксцентриситет эллипса которого пропорционален напряженности электрического поля, длине пути света в кристалле и его постоянной Поккельса.
Различают поперечный и продольный эффекты Поккельса, в первом — свет распространяется параллельно оптической оси кристалла и перпендикулярно силовым линиям электрического поля, а во втором – параллельно оптической оси кристалла и параллельно силовым линиям электрического поля.
Эффект электрогирации заключается в возникновении оптической активности в кристаллах обладающих центром симметрии под действием внешнего электрического поля. Это вызывает вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при его распространении вдоль оптической оси кристалла, на угол пропорциональный напряженности электрического поля, длине пути света в кристалле и его постоянной электрогирации.
Внешние проявления эффектов Фарадея и электрогирации аналогичны, но эффект Фарадея проявляется во всех прозрачных материалах, а эффект электрогирации только в кристаллах обладающих центром симметрии. Кроме того, при изменении направления распространения света на противоположное, при эффекте Фарадея угол вращения плоскости поляризации изменяет знак на противоположный, а при эффекте электрогирации угол вращения остается неизменным.
Оптико-электронные трансформаторы с внутренней модуляцией светового потока
Оптико-электронные трансформаторы с внутренней модуляцией имеют метрологические характеристики аналогичные характеристикам традиционных измерительных трансформаторов. Однако для их бесперебойной работы необходимо обеспечить электропитание электронных схем, формирующих цифровой оптический сигнал, расположенных в зоне высокого потенциала.
Электропитание может быть осуществлено с помощью дополнительного быстронасыщающегося трансформатора, подключенного к шине с измеряемым током и отбирающего часть энергии от линии электропередачи, либо с помощью передачи из зоны низкого потенциала по дополнительному световоду мощного светового потока лазера, который в зоне высокого потенциала фотогальваническим элементом преобразуется в электрическую энергию.
Недостатком оптико-электронных трансформаторов с внутренней модуляцией светового потока является:
— недостаточная надежность из-за наличия электронных схем в зоне высокого потенциала, обслуживание которых затруднено,
— при использовании дополнительного трансформатора, подключенного к шине с измеряемым током, возникают проблемы при малых токах, протекающих в линиях электропередач или их отсутствии,
— при использовании мощного лазера – ограниченный ресурс его работы.
Оптико-электронные трансформаторы с внешней модуляцией светового потока
Оптико-электронные трансформаторы с внешней модуляцией светового потока по конструкции первичного преобразователя делятся на стержневые и волоконные.
В первую группу входят трансформаторы тока, первичные преобразователи которых состоят из четырех стержней, изготовленных из диамагнитного оптического стекла, образующих замкнутый контур вокруг шины с измеряемым током, и трансформаторы напряжения, первичные преобразователи которых изготовлены из стержней электрооптических кристаллов, обладающих эффектом
Поккельса или электрогирации, и расположенные в электрическом поле измеряемого напряжения. Вход первичных преобразователей оптически связаны через поляризатор и многомодовый световод с источником света, а выход через анализатор и второй многомодовый световод с фотоприемником электронного блока обработки.
Во вторую группу входят трансформаторы тока, первичные преобразователи которых изготовлены из одномодового оптического spun-волокна, сохраняющего поляризацию света и образующего один или несколько витков вокруг шины с измеряемым током, и трансформаторы напряжения, первичные преобразователи которых изготовлены из электрооптического кристалла в виде интегрально-оптического канального волновода, расположенного в электрическом поле измеряемого напряжения. Вход первичных преобразователей оптически связан через двулучепреломляющее волокно с электронно-оптическим блоком обработки, а на выходе установлено зеркало, направляющее световой поток в обратном направлении.
Для сравнения характеристик оптико-электронных трансформаторов рассмотрим принцип их работы.
Принцип работы стержневых оптико-электронных трансформаторов
В стержневых оптико-электронных трансформаторах (рис.1) световой поток источника света по первому многомодовому световоду поступает на поляризатор, расположенный на входе первичного преобразователя, становится линейно поляризованным и распространяется вдоль стержней этого преобразователя.
Рис.1 Стержневые оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения.
В оптико-электронном трансформаторе тока четыре стержня, выполненные из диамагнитного магнитооптического стекла, образуют замкнутый контур вокруг шины с измеряемым током.
В оптико-электронном трансформаторе напряжения стержнем является электрооптический кристалл, расположенный между высоковольтными электродами.
После преобразователя плоскость поляризации света поворачивается на угол пропорциональный измеряемой величине. Плоскость пропускания анализатора расположена под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора, поэтому он выделяет световой поток, зависящий как от интенсивности падающего на анализатор светового потока, так и от угла поворота плоскости поляризации в первичном преобразователе. Этот световой поток по второму многомодовому световоду поступает к фотоприемнику электронного блока, который преобразует его в напряжение пропорциональное его интенсивности.
Если измеряемая величина носит квазистатический характер, то разделить составляющие напряжения, пропорциональные интенсивности падающего светового потока и пропорциональные углу поворота плоскости поляризации — затруднительно. Если она носит переменный или импульсный характер, то составляющие легко выделяется фильтрами нижних и верхних частот, а переменное напряжение, пропорциональное измеряемой величине определяется по их отношению.
Стержневые оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения могут успешно использоваться для преобразования переменных и импульсных величин, для получения малой погрешности преобразования необходимо учитывать частотные диапазоны изменения измеряемых величин и частотные характеристики внешних факторов оказывающих влияние на стабильность интенсивности источника света, чувствительность фотоприемника и затухание в оптической схеме преобразователя.
Принцип работы волоконных оптико-электронных трансформаторов
В волоконных оптико-электронных трансформаторах (рис.2) световой поток источника света через направленный ответвитель поступает на волоконный поляризатор, становится линейно поляризованным и вводится в одномодовое волокно, имеющее большое линейное двулучепреломление. Плоскость поляризации света устанавливается под углом 45 градусов к осям двулучепреломления, поэтому в волокне возбуждаются две линейно поляризованные волны равной интенсивности, но с ортогональными поляризациями. После фазового модулятора, поляризованные волны приобретают фазовую модуляцию и поступают в линию задержки, которая имеет быструю и медленную оси распространения света, обеспечивающие разную задержку волнам с ортогональными поляризациями. Разница задержек выбирается больше чем время когерентности источника света, поэтому на выходе волокна одновременно формируются две некогерентных линейно поляризованных волны.
Рис.2 Волоконные оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения.
В оптико-электронном трансформаторе тока волоконная четвертьволновая фазовая пластинка, оси которой установлены под углом 45 градусов к осям двулучепреломления одномодового волокна, формирует две циркулярно поляризованных волны с правым и левым направлениями вращения. Эти волны распространяются в волоконном контуре, изготовленном из одномодового spun-волокна, коэффициент преобразования которого нечувствителен к внешним механическим воздействиям. Благодаря эффекту Фарадея, волны получает равные фазовые сдвиги, пропорциональные измеряемому току, но имеющие противоположные знаки. Зеркало направляет световые волны в обратном направлении, где их фазовые сдвиги удваиваются, а волоконная четвертьволновая фазовая пластинка формирует две линейно поляризованные волны, которые вводятся в одномодовое волокно и распространяются в обратном направлении. Свет дважды проходит четвертьволновую фазовую пластинку, поэтому световая волна, которая в прямом направлении распространялась по быстрой оси, обратно распространяется по медленной оси и наоборот.
В оптико-электронном трансформаторе напряжения ротатор поворачивает плоскости поляризации линейно поляризованных волн линии задержки на угол 45 градусов и вводит их в электрооптический кристалл параллельно и перпендикулярно линиям напряженности электрического поля. Благодаря эффекту Поккельса световая волна, плоскость поляризации которой параллельна линиям напряженности, получает фазовый сдвиг пропорциональный измеряемому напряжению. Зеркало направляет световые волны в обратном направлении, в кристалле фазовый сдвиг волны удваивается, а ротатор повторно поворачивает плоскости поляризации линейно поляризованных волн на угол 45 градусов. Эти волны вводятся в одномодовое волокно и распространяются в обратном направлении. Суммарный поворот плоскости поляризации линейно поляризованных волн в ротаторе составляет 90 градусов, поэтому световая волна, которая в прямом направлении распространялась по быстрой оси, обратно распространяется по медленной оси и наоборот.
При отсутствии измеряемой величины, после прохождения линии задержки и фазового модулятора оптический путь обоих световых волн оказывается равным, и эти волны приходят на поляризатор когерентными с нулевым фазовым сдвигом. Если измеряемая величина отлична от нуля, то возникает пропорциональный фазовый сдвиг, который измеряется электронным блоком на частоте модуляции.
Волоконные оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения могут успешно использоваться для преобразования постоянных, переменных и импульсных величин, применение фазового метода измерения обеспечивает высокую точность преобразования, но для ее реализации необходимо учитывать гармонический состав измеряемых величин и правильно выбирать частоту модуляции.
Сравнение стержневых и волоконных
оптико-электронных трансформаторов
Основными параметрами оптико-электронных трансформаторов являются:
— диапазон измеряемых величин, в которых обеспечиваются необходимые метрологические характеристики трансформаторов,
— амплитудно-частотные характеристики, определяющие область применения трансформаторов,
— влияние внешних электромагнитных полей, которые создают проводники соседних фаз линий электропередач,
— технико-экономические характеристики изготовления, юстировки и метрологических испытаний.
Верхнее значение диапазона измеряемых токов стержневых оптико-электронных трансформаторов определяется максимальным значением угла поворота плоскости поляризации света, который может быть однозначно определен с необходимой точностью. В стержневых трансформаторах выходное напряжение пропорционально синусу удвоенного угла поворота плоскости поляризации света, поэтому однозначно может быть определен только угол в пределах ±45° . Этот угол пропорционален измеряемому току и постоянной Верде магнитооптического стекла стержней и зависит от длины волны источника света. Диамагнитные магнитооптические стекла, серийно выпускаемые промышленностью, имеют постоянную Верде, изменяющуюся в 4–5 раз.
Выбирая различные марки стекла и длину волны света в диапазоне от 0.60 до 0.95 мкм можно обеспечить угол поворота плоскости поляризации света равным ±45° при номинальных значениях тока от 200 до 20 кА. Верхнее значение диапазона измеряемых токов, которое является номинальным значением трансформатора тока, зависит от коэффициента преобразования электронного блока, поэтому оно может быть уменьшено и установлено в диапазоне 2-200 кА, а нижнее значение определяется отношением сигнал-шум оптико-электронного трансформатора. Для расширения диапазона измеряемых токов в нижнюю сторону может использоваться многовитковая первичная обмотка, которая обеспечивает измерение токов любой меньшей величины.
Верхнее значение диапазона измеряемых токов волоконных оптико-электронных трансформаторов определяется постоянной Верде одномодового spun-волокна, длиной волны света и максимальным фазовым сдвигом, который может быть однозначно измерен электронным блоком. Если этот сдвиг составляет ±180°, то максимальное номинальное значение трансформатора тока может быть установлено до 500 кА, а его минимальное значение определяется числом витков spun-волокна вокруг шины с измеряемым током, поэтому может быть установлено практически любым.
Верхнее значение диапазона измеряемых напряжений стержневых оптико-электронных трансформаторов в первую очередь определяется электрической прочностью кристалла, расположенного между высоковольтными электродами.
Электрическая прочность кристалла NaBi(MoO4)2 составляет 4 кВ/мм, поэтому с трехкратным запасом верхнее значение диапазона измеряемых напряжений может быть установлено равным длине электрооптического кристалла в миллиметрах. В настоящее время освоено производство монокристаллов NaBi(MoO4)2 длиной до 130 мм. Верхнее значение диапазона измеряемых напряжений, которое является номинальным значением трансформатора напряжения, может быть установлено в диапазоне до 110 кВ, а нижнее значение определяется отношением сигнал-шум оптико-электронного трансформатора.
Верхнее значение диапазона измеряемых напряжений волоконных оптико-электронных трансформаторов определяется только электрической прочностью высоковольтного изолятора трансформатора, не зависит от электрической прочности самого кристалла, поэтому рабочее напряжение волоконных электронно-оптических трансформаторов может достигать 750 кВ, а нижнее значение определяется отношением сигнал-шум оптико-электронного трансформатора.
Выводы: стержневые оптико-электронные трансформаторы уступают волоконным трансформаторам, так как имеют более ограниченные диапазоны преобразуемых токов и напряжений.
Амплитудно-частотные характеристики
Стержневые оптико-электронные трансформаторы для преобразования измеряемых величин используют амплитудный способ модуляции светового потока, а волоконные фазовый способ, который предусматривает фазовую модуляцию светового потока и измерение электронным блоком фазового сдвига возникающего в оптической схеме волоконного трансформатора.
Амплитудно-частотные характеристики стержневых трансформаторов с нижней стороны ограничены фильтром нижних частот, который необходим для выделения постоянной составляющей светового потока, а с верхней стороны определяется лишь быстродействием электронного блока, так как электро- и магнитооптические эффекты практически безынерционны.
Волоконные оптико-электронные трансформаторы могут преобразовывать постоянные измеряемые величины, но с верхней стороны их амплитудно-частотные характеристики ограничиваются частотой фазовой модуляции светового потока.
Выводы: стержневые оптико-электронные трансформаторы могут использоваться только для преобразования переменных величин, а волоконные трансформаторы и для переменных и для постоянных величин, однако амплитудно-частотные характеристики волоконных трансформаторов существенно уступают в своей верхней части характеристикам стержневых трансформаторов.
Влияние внешних электромагнитных полей
В стержневых и волоконных оптико-электронных трансформаторах тока для исключения влияния внешних полей реализуется закон полного тока, который предусматривает прохождение светового потока по замкнутому контуру вокруг шины с измеряемым током.
В стержневых трансформаторах это реализуется четырьмя стержнями, которые установлены по сторонам квадрата, охватывающего шину с измеряемым током. Разрыв замкнутого контура образуется на участке входа-выхода светового потока из первичного преобразователя. Длина разрыва равна толщине стержня магнитооптического стекла.
В волоконных трансформаторах это реализуется замкнутым контуром из spun-волокна вокруг шины с измеряемым током. Разрыв замкнутого контура, образуется на участке между вводом света в spun-волокно и зеркалом, который может быть сокращен до минимума.
В стержневых оптико-электронных трансформаторах напряжения электрооптический кристалл NaBi(MoO4)2 установлен между высоковольтными электродами. Угол поворота плоскости поляризации света в каждом сечении кристалла пропорционален напряженности электрического поля в этом сечении.
Суммарный угол формируется по мере распространения света в кристалле
Если электроды плотно прижаты к поверхностям кристалла, перпендикулярным направлению распространения света, и к ним приложено измеряемое напряжение, то угол поворота плоскости поляризации
То есть угол поворота пропорционален разности потенциалов (напряжению) между электродами и не зависит от распределения напряженности электрического поля внутри кристалла. Такая конструкция первичного преобразователя позволяет практически полностью исключить влияние внешних электрических полей на результат преобразования.
В волоконных оптико-электронных трансформаторах напряжения электрооптический кристалл установлен между высоковольтными электродами на значительном расстоянии от одного из них. Это обеспечивает независимость электрической прочности высоковольтного изолятора от характеристик кристалла, но не исключает влияние внешних электрических полей на результат преобразования.
Выводы: стержневые и волоконные оптико-электронные трансформаторы тока имеют высокую защищенность результатов преобразования от влияния внешних магнитных полей, однако волоконные трансформаторы напряжения существенно уступают стержневым трансформаторам по этому параметру и требуют принятия дополнительных мер по увеличению защищенности от влияния внешних электрических полей.
Технико-экономические характеристики
О технико-экономических характеристиках целесообразно говорить при серийном производстве оптико-электронных трансформаторов. Однако следует отметить, что стержневые трансформаторы изготавливаются на основе серийно выпускаемых элементов и поэтому их стоимость на порядок ниже, чем стоимость волоконных трансформаторов.