eng
Выпуск #8/2018
В.П.Губин, Н.И.Старостин, Я.В.Пржиялковский, С.К.Моршнев, А.И.Сазонов, С.Ю.Отрохов
Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока: физические основы и технические реализации. Часть II
Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока: физические основы и технические реализации. Часть II
Просмотры: 3136
Электромагнитные трансформаторы, работающие на принципе электромагнитной индукции, традиционно используются в силовой электроэнергетике при измерении электрического тока. Но, к сожалению, высоковольтная изоляция классических трансорматоров не обладает достаточной надежностью при напряжениях порядка 110-750 кВ, и такие трансформаторы склонны к созданию взрыво- и пожаро-опасносных ситуаций. В первой части обзора обсуждались физические принципы оптического метода измерения тока на основе эффекта Фарадея. Их технической реализации в виде волоконно-оптических трансформаторов электрического тока посвящена вторая часть обзора.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.8.762.769
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.8.762.769
Теги: fiber-optic electric current transformers волоконно-оптических трансформаторы электрического тока
2.
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Классические трансформаторы не обладают достаточной надежностью при напряжениях порядка 110–750 кВ и склонны к созданию взрыво- и пожаро-опасносных ситуаций [1]. Поэтому активно развивается волоконно-оптический метод измерения тока с использованием эффекта Фарадея в оптическом волоконном световоде [2–4]. Основная часть рынка волоконно-оптических трансформаторов тока представлена мировыми лидерами General Electric (GE), ABB и Arteche. В России только компания "Профотек" производит подобные приборы. Их физические основы были рассмотрены в первой части обзора [5–8]. Рассмотрим техническую реализацию волоконно-оптических трансформаторов тока.
2.1.
Измерительный волоконный интерферометр ВОТТ
Как следует из первой части обзора, измерение тока оптическим методом сводится к измерению фазового сдвига Фарадея ΔϕF между ортогональными циркулярно (эллиптически) поляризованными волнами или угла поворота θF плоскости поляризации линейно поляризованного света. В современных электронно-оптических трансформаторах тока наиболее часто используются интерферометрический метод измерения Δϕ F. Ниже рассматривается один из вариантов широко применяемой схемы цельноволоконного измерительного интерферометра (линейный интерферометр Саньяка) (рис. 3) [9].
Схема работает следующим образом. Излучение волоконного низкокогерентного суперлюминесцентного источника 1 распространяется по ответвителю 2 и волоконному поляризатору 3. Поляризатор 3 преобразует излучение в линейно поляризованное. Далее поляризованное излучение попадает в волоконный модулятор двулучепреломления (ДЛП) 4. Модулятор ДЛП представляет собой световод, сохраняющий линейную поляризацию излучения (РМ световод), намотанный с определенным натяжением на пьезоцилиндр. Переменное электрическое поле, приложенное к пьезоцилиндру, модулирует натяжение РМ световода и, соответственно, его двулучепреломление. Благодаря ориентации плоскости пропускания поляризатора под 45° к осям ДЛП входного световода модулятора в волокне формируются две когерентные ортогональные линейно поляризованные волны (х и y поляризационные моды) интерферометра с равной интенсивностью – рабочие волны интерферометра. Модулятор обеспечивает синусоидальную модуляцию разности фаз рабочих волн. Наличие модулятора позволяет применить для измерения электрического тока широко используемый в волоконной гироскопии модуляционный метод (об особенностях и преимуществах этого метода см. ниже). Так как модулятор является взаимным элементом, то для получения требуемой фазовой модуляции между световыми волнами, распространяющимися через модулятор в прямом и обратном направлении, вводится временнбя задержка на половину периода управляющего модуляционного сигнала. Данная задержка определяется временем распространения света по протяженной РМ волоконной линии (линия задержки 5 и соединительная линия 5a). Волны с ортогональными линейными поляризациями, пройдя элементы 5 и 5a поступают на вход четвертьволновой пластинки.
Будучи исходно когерентными, линейно поляризованные волны низкокогерентного излучения, распространяясь по сильно анизотропному световоду линии задержки и соединительной линии, деполяризуются (теряют когерентность). В результате деполяризации низкокогерентного света на значительном протяжении волоконного оптического тракта снижается влияние ряда нежелательных факторов на точность интерферометра. Пластинка λ / 4 конвертирует эти некогерентные линейно поляризованные волны в ортогональные циркулярно поляризованные волны, которые, пройдя через чувствительный к магнитному полю spun-световод (чувствительный контур 8), отражаются от зеркала на его конце и распространяются в обратном направлении. При зеркальном отражении поляризация каждой из волн преобразуется в ортогональную (лево-циркулярная волна преобразуется в право-циркулярную и наоборот). После обратного прохода пластинки λ / 4 волны вновь преобразуются в линейно поляризованные, но ортогональные исходным (х поляризованная волна, распространяющаяся в прямом направлении, становится y волной, распространяющейся в обратном направлении по РМ волоконной линии, и наоборот). Конверсия поляризационных состояний излучения в ортогональные исходным при обратном проходе после отражения приводит к тому, что когерентность волн восстанавливается и фазовый сдвиг Δϕ между линейно поляризованными волнами, приходящими к поляризатору, оказывается равным нулю для взаимных эффектов и удвоенным для невзаимного эффекта Фарадея.
После обхода оптической схемы в прямом и обратном направлениях, прошедшие через поляризатор волны интерферируют. В зависимости от фазового сдвига Δϕ между волнами изменяется мощность света, детектируемого фотоприемником. В общем случае зависимость мощности света от фазового сдвига Δϕ (выходная характеристика интерферометра) может быть представлена в виде:
P(Δϕ) = P0 [1 + K cos(Δϕ)]. (9)
Здесь – интенсивность света на входе, K ≈ 1 – видность (контраст) интерференционной картины, а фазовый сдвиг между волнами Δϕ в случае рассматриваемого интерферометра равен Δϕ = ΔϕF + ϕm cos(2πfmt), где fm – частота модуляции, ϕm – амплитуда модуляции разности фаз волн, ΔϕF = 4VNI. Соотношение (9) является основой для вычисления тока модуляционным методом. Оно также используется в безмодуляторных схемах, в которых Δϕ = ΔϕF + Δϕ0, где Δϕ0 – начальный фазовый сдвиг выбора рабочей точки.
При наличии гармонической фазовой модуляции выходной сигнал P(t) (9) интерферометра во времени представляет собой сумму гармоник частоты модуляции (рис. 4). Причем в отсутствии протекающего тока (ΔϕF = 0) в выходном сигнале присутствуют только четные гармоники, с преобладанием второй гармоники (на рисунке функции Δϕ(t) и Р(t) представлены сплошными линиями). Если же ΔϕF не равен нулю, в сигнале появляются также нечетные гармоники, с преобладанием первой гармоники (функции Δϕ(t) и Р(t) показаны пунктирными линиями). При этом амплитуды гармоник зависят от измеряемого сдвига Фарадея Δϕ F. Величина фазового сдвига ΔϕF вычисляется из отношения амплитуд гармоник, далее используя (6а), вычисляют измеряемый ток. Данный модуляционный метод обеспечивает высокую точность и независимость от вариаций параметров оптической схемы (мощность источника излучения, амплитуда модуляции) и влияния низкочастотных шумов электроники.
Важную роль в достижении высокой точности современных ВОТТ играет применение низкокогерентного источника излучения. Обычно используют суперлюминесцентные источники излучения (волоконные или полупроводниковые) на длине волны 1,55 мкм или 1,3 мкм, с шириной спектральной линии не менее 20 нм. При использовании низкокогерентного излучения резко снижаются нелинейные эффекты в волокне (например эффект Керра), уменьшается нежелательная связь ортогонально поляризованных волн на неоднородностях оптической схемы (в частности, обусловленных деформациями защитной оболочки волокна [10]), снижаются помехи от паразитных отражений в схеме. В рассматриваемой оптической схеме нежелательная связь ортогональных поляризованных рабочих волн и влияние помех из-за паразитных отражений эффективно снижается вследствие деполяризации (потере когерентности) волн при прохождении расстояния, превышающего длину деполяризации Ld. В случае волоконного суперлюминесцентного источника (λ = 1 550 мкм и Δλ = 20 нм) согласно (8) Ld ~ 5 м для стандартного spun-световода (Lb = 10 мм, Ls = 3 мм) и Ld = Lb (λ / Δλ) ~ 0,3 м для типового РМ световода (Lb = 3 мм).
2.2. Другие реализации ВОТТ
Рассмотренная выше отражательная оптическая схема с модуляцией основана на измерении фазового сдвига Фарадея с использованием всей выходной характеристики интерферометра. Такие схемы называют схемой с открытым контуром. Она имеет точность, достаточную для учета потребляемой электроэнергии (класс точности 0.2 s). Вместе с тем, схема требует повышенного внимания к линейности выходной характеристики, а ее динамический диапазон сверху ограничен фазовыми сдвигами ±π / 2 вследствие периодичности характеристики. Для повышения линейности и расширения диапазона необходимо применять более сложные алгоритмы обработки сигнала.
Наиболее высокую точность и широкий динамический диапазон обеспечивают компенсационные схемы, в которых производится зануление фарадеевского фазового сдвига с помощью дополнительного чувствительного контура, включенного последовательно с измерительным контуром. В дополнительном контуре создается магнитное поле от компенсирующего тока, который вырабатывается в электронном блоке и является выходом ВОТТ. Компенсационные схемы называют схемами с закрытым контуром.
Возможны также безмодуляторные отражательные схемы ВОТТ с использованием фарадеевского ротатора для формирования рабочей точки в середине характеристики интерферометра P(Δϕ). Ротатор может быть как дискретный (алюминиево-иттриевый гранат), так и волоконный (на spun-световоде). Такие схемы менее точные в сравнении с модуляторными, однако они являются более широкополосными.
Наиболее простой является однопроходная схема ВОТТ, не требующая ротатора. В этой схеме реализуется прямое измерение поворота плоскости поляризации света в магниточувствительном световоде, расположенном между двумя поляризаторами. Недостатком схемы является относительно низкая точность, которая однако достаточна для применений защиты энергетического оборудования (высоковольтных линий) при коротких замыканиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВОТТ на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптическом световоде представляет собой новое высокоточное устройство для измерения как постоянного, так и переменного электрического тока. Измеряемые токи находятся в диапазоне от единиц ампер до сотен килоампер. Основными областями применения ВОТТ (как в России, так и за рубежом) в настоящее время является высоковольтная электроэнергетика (110–750 кВ) и цветная металлургия (контроль технологического процесса получения цветных металлов).
Чувствительным элементом ВОТТ является волоконный контур, охватывающий шину с током, а измерение тока сводится к измерению индуцируемого магнитным полем тока фазового сдвига Фарадея между ортогональными циркулярно поляризованными световыми волнами. Для регистрации фазового сдвига Фарадея, как правило, используется линейный интерферометр Саньяка (отражательный интерферометр) и модуляционный метод.
Высокая точность измерений современных ВОТТ достигается выполнением ряда специальных требований. В частности, обязательным условием является замкнутый волоконный контур, что в соответствии с фундаментальным физическим законом – теоремой о циркуляции вектора напряженности магнитного поля обеспечивает отсутствие влияния внешних токовых шин и формы чувствительного контура на результат измерения. Использование низкокогерентного излучения позволяет минимизировать паразитные эффекты, приводящие к появлению дополнительного сигнала, не отличимого от полезного. Важную роль при этом играет деполяризация низкокогерентного излучения в оптическом тракте. Отмеченные подходы позволяют реализовать ВОТТ с наивысшими для практического применения классами точности (0.2s, 0.1), что в совокупности с практическими преимуществами (безопасность эксплуатации, меньшие затраты на монтаж и обслуживание, и т. д.) делает данный прибор реальной альтернативой традиционным трансформаторам тока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гречухин В. Н. Электронные трансформаторы тока и напряжения. Состояние, перспективы развития и внедрения на ОРУ 110–750 кВ станций и подстанций энергосистем. Вестник ИГЭУ. 2006; 4:1–9.
Grechuhin V. N. Elektronnye transformatory toka i napryazheniya. Sostoyanie, perspektivy razvitiya i vnedreniya na ORU110–750 kV stancij i podstancij energosistem. Vestnik IGEU. 2006; 4:1–9.
2. Laming R. I., Payne D. N. Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers. Journal of Lightwave Technology. 1989; 7(12): 2084–2094.
3. Blake J., Tantaswadi P., R. T. De Carvalho. In-line Sagnac interferometer current sensor. IEEE Transaction on Power Lelivery. 1996; 11(1): 116–121.
4. Губин В. П., Исаев В. А., Моршнев С.К ., Сазонов А. И., Старостин Н. И., Чаморовский Ю. К., Усов А. И. Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока. Квантовая электроника. 2006; 36(3): 287–291.
Gubin V. P., Isaev V. A., Morshnev S.K ., Sazonov A. I., Starostin N. I., Chamorovskij Yu.K., Usov A. I. Ispol’zovanie volokonnyh svetovodov tipa Spun v datchikah toka. Kvantovaya elektronika. 2006; 36(3): 287–291.
5. Bohnert K., Gabus P., Kostovic J., Brдndle H. Optical fiber sensors for the electric power industry. Optics and Laser in Engineering. 2005; 43: 511–526.
6. Starostin N. I., Ryabko M. V., Chamorovskii Yu.K., Gubin V. P., Sazonov A. I., Morshnev S. K., Korotkov N. M. Interferometric Fiber-Optic Electric Current Sensor for Industrial Application. Key Engineering Materials. 2010; 437: 314–318.
7. Пржиялковский Я. В., Моршнев С. К., Старостин Н. И., Губин В. П. Распространение широкополосного оптического излучения в spun-волокне с высоким двулучепреломлением. Квантовая электроника. 2013; 43(2):167–173.
Przhiyalkovskij Ya.V., Morshnev S. K., Starostin N. I., Gubin V. P. Rasprostranenie shirokopolosnogo opticheskogo izlucheniya v spun-volokne s vysokim dvulucheprelomleniem. Kvantovaya elektronika. 2013; 43(2):167–173.
8. Моршнев С. К., Чаморовский Ю. К., Воробьев И. Л. Фазовая задержка поляризационных мод в упруго закрученных spun-волокнах. Квантовая электроника. 2011; т. 41(5), с. 469–474.
Morshnev S. K., Chamorovskij Yu.K., Vorob’ev I. L. Fazovaya zaderzhka polyarizacionnyh mod v uprugo zakruchennyh spun-voloknah. Kvantovaya elektronika. 2011; 41(5): 469–474.
9. Frosio G., Dдndliker R. Reciprocal reflection interferometer for a fiber optic faraday current sensor. Appl. Opt. 1994; 33(25): 6111–6122.
10. Моршнев С. К., Губин В. П., Старостин Н. И., Пржиялковский Я. В., Сазонов А. И. Влияние защитного покрытия на случайные вариации двулучепреломления в анизотропных оптических волокнах при изменении их температуры. Квантовая электроника. 2016; 46(10): 911–918.
Morshnev S. K., Gubin V. P., Starostin N. I., Przhiyalkovskij Ya.V., Sazonov A. I. Vliyanie zashchitnogo pokrytiya na sluchajnye variacii dvulucheprelomleniya v anizotropnyh opticheskih voloknah pri izmenenii ih temperatury. Kvantovaya elektronika. 2016; 46(10): 911–918.
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Классические трансформаторы не обладают достаточной надежностью при напряжениях порядка 110–750 кВ и склонны к созданию взрыво- и пожаро-опасносных ситуаций [1]. Поэтому активно развивается волоконно-оптический метод измерения тока с использованием эффекта Фарадея в оптическом волоконном световоде [2–4]. Основная часть рынка волоконно-оптических трансформаторов тока представлена мировыми лидерами General Electric (GE), ABB и Arteche. В России только компания "Профотек" производит подобные приборы. Их физические основы были рассмотрены в первой части обзора [5–8]. Рассмотрим техническую реализацию волоконно-оптических трансформаторов тока.
2.1.
Измерительный волоконный интерферометр ВОТТ
Как следует из первой части обзора, измерение тока оптическим методом сводится к измерению фазового сдвига Фарадея ΔϕF между ортогональными циркулярно (эллиптически) поляризованными волнами или угла поворота θF плоскости поляризации линейно поляризованного света. В современных электронно-оптических трансформаторах тока наиболее часто используются интерферометрический метод измерения Δϕ F. Ниже рассматривается один из вариантов широко применяемой схемы цельноволоконного измерительного интерферометра (линейный интерферометр Саньяка) (рис. 3) [9].
Схема работает следующим образом. Излучение волоконного низкокогерентного суперлюминесцентного источника 1 распространяется по ответвителю 2 и волоконному поляризатору 3. Поляризатор 3 преобразует излучение в линейно поляризованное. Далее поляризованное излучение попадает в волоконный модулятор двулучепреломления (ДЛП) 4. Модулятор ДЛП представляет собой световод, сохраняющий линейную поляризацию излучения (РМ световод), намотанный с определенным натяжением на пьезоцилиндр. Переменное электрическое поле, приложенное к пьезоцилиндру, модулирует натяжение РМ световода и, соответственно, его двулучепреломление. Благодаря ориентации плоскости пропускания поляризатора под 45° к осям ДЛП входного световода модулятора в волокне формируются две когерентные ортогональные линейно поляризованные волны (х и y поляризационные моды) интерферометра с равной интенсивностью – рабочие волны интерферометра. Модулятор обеспечивает синусоидальную модуляцию разности фаз рабочих волн. Наличие модулятора позволяет применить для измерения электрического тока широко используемый в волоконной гироскопии модуляционный метод (об особенностях и преимуществах этого метода см. ниже). Так как модулятор является взаимным элементом, то для получения требуемой фазовой модуляции между световыми волнами, распространяющимися через модулятор в прямом и обратном направлении, вводится временнбя задержка на половину периода управляющего модуляционного сигнала. Данная задержка определяется временем распространения света по протяженной РМ волоконной линии (линия задержки 5 и соединительная линия 5a). Волны с ортогональными линейными поляризациями, пройдя элементы 5 и 5a поступают на вход четвертьволновой пластинки.
Будучи исходно когерентными, линейно поляризованные волны низкокогерентного излучения, распространяясь по сильно анизотропному световоду линии задержки и соединительной линии, деполяризуются (теряют когерентность). В результате деполяризации низкокогерентного света на значительном протяжении волоконного оптического тракта снижается влияние ряда нежелательных факторов на точность интерферометра. Пластинка λ / 4 конвертирует эти некогерентные линейно поляризованные волны в ортогональные циркулярно поляризованные волны, которые, пройдя через чувствительный к магнитному полю spun-световод (чувствительный контур 8), отражаются от зеркала на его конце и распространяются в обратном направлении. При зеркальном отражении поляризация каждой из волн преобразуется в ортогональную (лево-циркулярная волна преобразуется в право-циркулярную и наоборот). После обратного прохода пластинки λ / 4 волны вновь преобразуются в линейно поляризованные, но ортогональные исходным (х поляризованная волна, распространяющаяся в прямом направлении, становится y волной, распространяющейся в обратном направлении по РМ волоконной линии, и наоборот). Конверсия поляризационных состояний излучения в ортогональные исходным при обратном проходе после отражения приводит к тому, что когерентность волн восстанавливается и фазовый сдвиг Δϕ между линейно поляризованными волнами, приходящими к поляризатору, оказывается равным нулю для взаимных эффектов и удвоенным для невзаимного эффекта Фарадея.
После обхода оптической схемы в прямом и обратном направлениях, прошедшие через поляризатор волны интерферируют. В зависимости от фазового сдвига Δϕ между волнами изменяется мощность света, детектируемого фотоприемником. В общем случае зависимость мощности света от фазового сдвига Δϕ (выходная характеристика интерферометра) может быть представлена в виде:
P(Δϕ) = P0 [1 + K cos(Δϕ)]. (9)
Здесь – интенсивность света на входе, K ≈ 1 – видность (контраст) интерференционной картины, а фазовый сдвиг между волнами Δϕ в случае рассматриваемого интерферометра равен Δϕ = ΔϕF + ϕm cos(2πfmt), где fm – частота модуляции, ϕm – амплитуда модуляции разности фаз волн, ΔϕF = 4VNI. Соотношение (9) является основой для вычисления тока модуляционным методом. Оно также используется в безмодуляторных схемах, в которых Δϕ = ΔϕF + Δϕ0, где Δϕ0 – начальный фазовый сдвиг выбора рабочей точки.
При наличии гармонической фазовой модуляции выходной сигнал P(t) (9) интерферометра во времени представляет собой сумму гармоник частоты модуляции (рис. 4). Причем в отсутствии протекающего тока (ΔϕF = 0) в выходном сигнале присутствуют только четные гармоники, с преобладанием второй гармоники (на рисунке функции Δϕ(t) и Р(t) представлены сплошными линиями). Если же ΔϕF не равен нулю, в сигнале появляются также нечетные гармоники, с преобладанием первой гармоники (функции Δϕ(t) и Р(t) показаны пунктирными линиями). При этом амплитуды гармоник зависят от измеряемого сдвига Фарадея Δϕ F. Величина фазового сдвига ΔϕF вычисляется из отношения амплитуд гармоник, далее используя (6а), вычисляют измеряемый ток. Данный модуляционный метод обеспечивает высокую точность и независимость от вариаций параметров оптической схемы (мощность источника излучения, амплитуда модуляции) и влияния низкочастотных шумов электроники.
Важную роль в достижении высокой точности современных ВОТТ играет применение низкокогерентного источника излучения. Обычно используют суперлюминесцентные источники излучения (волоконные или полупроводниковые) на длине волны 1,55 мкм или 1,3 мкм, с шириной спектральной линии не менее 20 нм. При использовании низкокогерентного излучения резко снижаются нелинейные эффекты в волокне (например эффект Керра), уменьшается нежелательная связь ортогонально поляризованных волн на неоднородностях оптической схемы (в частности, обусловленных деформациями защитной оболочки волокна [10]), снижаются помехи от паразитных отражений в схеме. В рассматриваемой оптической схеме нежелательная связь ортогональных поляризованных рабочих волн и влияние помех из-за паразитных отражений эффективно снижается вследствие деполяризации (потере когерентности) волн при прохождении расстояния, превышающего длину деполяризации Ld. В случае волоконного суперлюминесцентного источника (λ = 1 550 мкм и Δλ = 20 нм) согласно (8) Ld ~ 5 м для стандартного spun-световода (Lb = 10 мм, Ls = 3 мм) и Ld = Lb (λ / Δλ) ~ 0,3 м для типового РМ световода (Lb = 3 мм).
2.2. Другие реализации ВОТТ
Рассмотренная выше отражательная оптическая схема с модуляцией основана на измерении фазового сдвига Фарадея с использованием всей выходной характеристики интерферометра. Такие схемы называют схемой с открытым контуром. Она имеет точность, достаточную для учета потребляемой электроэнергии (класс точности 0.2 s). Вместе с тем, схема требует повышенного внимания к линейности выходной характеристики, а ее динамический диапазон сверху ограничен фазовыми сдвигами ±π / 2 вследствие периодичности характеристики. Для повышения линейности и расширения диапазона необходимо применять более сложные алгоритмы обработки сигнала.
Наиболее высокую точность и широкий динамический диапазон обеспечивают компенсационные схемы, в которых производится зануление фарадеевского фазового сдвига с помощью дополнительного чувствительного контура, включенного последовательно с измерительным контуром. В дополнительном контуре создается магнитное поле от компенсирующего тока, который вырабатывается в электронном блоке и является выходом ВОТТ. Компенсационные схемы называют схемами с закрытым контуром.
Возможны также безмодуляторные отражательные схемы ВОТТ с использованием фарадеевского ротатора для формирования рабочей точки в середине характеристики интерферометра P(Δϕ). Ротатор может быть как дискретный (алюминиево-иттриевый гранат), так и волоконный (на spun-световоде). Такие схемы менее точные в сравнении с модуляторными, однако они являются более широкополосными.
Наиболее простой является однопроходная схема ВОТТ, не требующая ротатора. В этой схеме реализуется прямое измерение поворота плоскости поляризации света в магниточувствительном световоде, расположенном между двумя поляризаторами. Недостатком схемы является относительно низкая точность, которая однако достаточна для применений защиты энергетического оборудования (высоковольтных линий) при коротких замыканиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВОТТ на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптическом световоде представляет собой новое высокоточное устройство для измерения как постоянного, так и переменного электрического тока. Измеряемые токи находятся в диапазоне от единиц ампер до сотен килоампер. Основными областями применения ВОТТ (как в России, так и за рубежом) в настоящее время является высоковольтная электроэнергетика (110–750 кВ) и цветная металлургия (контроль технологического процесса получения цветных металлов).
Чувствительным элементом ВОТТ является волоконный контур, охватывающий шину с током, а измерение тока сводится к измерению индуцируемого магнитным полем тока фазового сдвига Фарадея между ортогональными циркулярно поляризованными световыми волнами. Для регистрации фазового сдвига Фарадея, как правило, используется линейный интерферометр Саньяка (отражательный интерферометр) и модуляционный метод.
Высокая точность измерений современных ВОТТ достигается выполнением ряда специальных требований. В частности, обязательным условием является замкнутый волоконный контур, что в соответствии с фундаментальным физическим законом – теоремой о циркуляции вектора напряженности магнитного поля обеспечивает отсутствие влияния внешних токовых шин и формы чувствительного контура на результат измерения. Использование низкокогерентного излучения позволяет минимизировать паразитные эффекты, приводящие к появлению дополнительного сигнала, не отличимого от полезного. Важную роль при этом играет деполяризация низкокогерентного излучения в оптическом тракте. Отмеченные подходы позволяют реализовать ВОТТ с наивысшими для практического применения классами точности (0.2s, 0.1), что в совокупности с практическими преимуществами (безопасность эксплуатации, меньшие затраты на монтаж и обслуживание, и т. д.) делает данный прибор реальной альтернативой традиционным трансформаторам тока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гречухин В. Н. Электронные трансформаторы тока и напряжения. Состояние, перспективы развития и внедрения на ОРУ 110–750 кВ станций и подстанций энергосистем. Вестник ИГЭУ. 2006; 4:1–9.
Grechuhin V. N. Elektronnye transformatory toka i napryazheniya. Sostoyanie, perspektivy razvitiya i vnedreniya na ORU110–750 kV stancij i podstancij energosistem. Vestnik IGEU. 2006; 4:1–9.
2. Laming R. I., Payne D. N. Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers. Journal of Lightwave Technology. 1989; 7(12): 2084–2094.
3. Blake J., Tantaswadi P., R. T. De Carvalho. In-line Sagnac interferometer current sensor. IEEE Transaction on Power Lelivery. 1996; 11(1): 116–121.
4. Губин В. П., Исаев В. А., Моршнев С.К ., Сазонов А. И., Старостин Н. И., Чаморовский Ю. К., Усов А. И. Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока. Квантовая электроника. 2006; 36(3): 287–291.
Gubin V. P., Isaev V. A., Morshnev S.K ., Sazonov A. I., Starostin N. I., Chamorovskij Yu.K., Usov A. I. Ispol’zovanie volokonnyh svetovodov tipa Spun v datchikah toka. Kvantovaya elektronika. 2006; 36(3): 287–291.
5. Bohnert K., Gabus P., Kostovic J., Brдndle H. Optical fiber sensors for the electric power industry. Optics and Laser in Engineering. 2005; 43: 511–526.
6. Starostin N. I., Ryabko M. V., Chamorovskii Yu.K., Gubin V. P., Sazonov A. I., Morshnev S. K., Korotkov N. M. Interferometric Fiber-Optic Electric Current Sensor for Industrial Application. Key Engineering Materials. 2010; 437: 314–318.
7. Пржиялковский Я. В., Моршнев С. К., Старостин Н. И., Губин В. П. Распространение широкополосного оптического излучения в spun-волокне с высоким двулучепреломлением. Квантовая электроника. 2013; 43(2):167–173.
Przhiyalkovskij Ya.V., Morshnev S. K., Starostin N. I., Gubin V. P. Rasprostranenie shirokopolosnogo opticheskogo izlucheniya v spun-volokne s vysokim dvulucheprelomleniem. Kvantovaya elektronika. 2013; 43(2):167–173.
8. Моршнев С. К., Чаморовский Ю. К., Воробьев И. Л. Фазовая задержка поляризационных мод в упруго закрученных spun-волокнах. Квантовая электроника. 2011; т. 41(5), с. 469–474.
Morshnev S. K., Chamorovskij Yu.K., Vorob’ev I. L. Fazovaya zaderzhka polyarizacionnyh mod v uprugo zakruchennyh spun-voloknah. Kvantovaya elektronika. 2011; 41(5): 469–474.
9. Frosio G., Dдndliker R. Reciprocal reflection interferometer for a fiber optic faraday current sensor. Appl. Opt. 1994; 33(25): 6111–6122.
10. Моршнев С. К., Губин В. П., Старостин Н. И., Пржиялковский Я. В., Сазонов А. И. Влияние защитного покрытия на случайные вариации двулучепреломления в анизотропных оптических волокнах при изменении их температуры. Квантовая электроника. 2016; 46(10): 911–918.
Morshnev S. K., Gubin V. P., Starostin N. I., Przhiyalkovskij Ya.V., Sazonov A. I. Vliyanie zashchitnogo pokrytiya na sluchajnye variacii dvulucheprelomleniya v anizotropnyh opticheskih voloknah pri izmenenii ih temperatury. Kvantovaya elektronika. 2016; 46(10): 911–918.
Отзывы читателей
