Оптические датчики тока и напряжения

План
История создания
Эффект Фарадея
Строение оптических датчиков тока
Фридрих Карл Альвин Поккельс. Эффект Поккельса
Строение оптических датчиков напряжения;
Область применения оптических датчиков тока и напряжения;
Преимущества и недостатки оптических датчиков тока и напряжения;
Сравнительные характеристики оптических датчиков тока и напряжений различных компаний;
Итог.

История создания
Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики -- очень молодая область техники.

История создания
Современная волоконная оптика стала развиваться в начале 70-х годов, когда практически одновременно в нескольких странах для изготовления оптических волокон (ОВ) была использована технология осаждения из газовой фазы (MCVD технология). В это же время начались и первые работы по созданию высококачественных ОВ в СССР для телекоммуникационных применений, главным образом в Академии Наук. Данная технология позволила резко понизить уровень потерь света в кварцевых волокнах сначала до 10 дб/км, а затем и менее 1дб/км. MCVD технология была выбрана так успешно, что и до настоящего времени является одной из основных технологий как для промышленного производства, так и для разработки новых типов ОВ. Кроме телекоммуникационных применений становление и развитие волоконно-оптических технологий открыло широкие возможности их применения в приборостроении и измерительной технике. Практически одно- временно с созданием волокон с малыми потерями появились работы по созданию волоконно-оптических датчи- ков (ВОД) физических величин, которые также развивались в Академии наук.

Эффект Фарадея
В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что линейно поляризованный свет, распространяющийся вдоль постоянного магнитного поля в веществе, испытывает вращение плоскости поляризации. Это открытие стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений. Сам Фарадей писал: "Мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию".

Эффект Фарадея
Эффект Фарадея объясняется тем, что оптические свойства намагниченного вещества нельзя охарактеризовать одним показателем преломления n. Под действием магнитного поля показатели преломления n+ и n- для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого право- и левополяризованные составляющие линейно поляризованного света распространяются вдоль магнитного поля через вещество с разными фазовыми скоростями. Возникает разность их хода, линейно зависящая от длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны l, прошедшего в среде путь l, поворачивается на угол
В слабых магнитных полях разность (n+-n-) линейно зависит от напряженности поля H и угол фарадеевского вращения описывается формулой θ = VHl, где V (постоянная Верде) зависит от длины световой волны, свойств вещества и его температуры.

Оптические датчики тока
Известные волоконно-оптические датчики тока работают на принципе эффекта Фарадея. Ток, протекающий в проводе, индуцирует магнитное поле, которое через эффект Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего провода.
Пришедшие световые потоки преобразуются фотоприемником в два напряжения переменного тока с частотой ω = 2πС/λ (С — скорость света в оптоволокне, λ — длина волны оптического излучения). Полученные электрические сигналы поступают на ввод аналогоцифрового преобразователя электронного блока, преобразующего угол Δφ в цифру с дальнейшей обработкой в DSP-процессоре. Цифровой блок оснащен высокоуровневыми и низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, поддерживающим стандарт IEC 61850, что открыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерения.

Фридрих Карл Альвин Поккельс. Эффект Поккельса
Фридрих Карл Альвин Поккельс (1865—1913) — немецкий физик. В 1893 Ф. Поккельс открыл, что постоянное электрическое поле, приложенное к определённым материалам, обладающим двойным лучепреломлением, вызывает изменение показателя преломления, приблизительно пропорционально силе приложенного поля. Коэффициент пропорциональности лежит в пределах от 10−10 до 10−12 В−1. Это явление называют эффектом Поккельса. Эффект Поккельса возникает только в кристаллах — ячейках Поккельса. Они представляют собой управляемые напряжением волновые пластины. Световое излучение поляризуется в первом поляроиде, попадает в ячейку Поккельса и у нас возникает поляризация не только вдоль оси, созданной первым поляроидом, но и вдоль оси перпендикулярной ей. Далее при помощи поляроида два “вырезаем” поляризацию и получившийся луч попадает на фотоприёмник.

Оптические датчики напряжения

Область применения оптических датчиков тока и напряжения
Применение таких датчиков в металлургической и химической промышленности может существенно повысить эффективность производства и дать значительный экономический эффект. В производстве алюминия, меди, марганца, цинка, стали и хлора требуются огромные объемы электроэнергии. Компания Airak, Inc выпускает оптоволоконные датчики, отличающиеся наименьшими массо-габаритными показателями. Оптоволоконные датчики напряжения этой фирмы вместе с пятиметровыми выводами весят всего 170 г. Компактность и малый вес датчика тока фирмы Airak привлекает внимание разработчиков систем контроля и управления энергетическими системами на наземном, морском и воздушном транспорте. В США в рамках программы по модернизации морского флота разрабатываются так называемые «полностью электрические» (all-electric) корабли.
Первое такое судно должно быть сдано в эксплуатацию в 2011 г. Для обеспечения мониторинга и управления всеми системами корабля требуется около 10 000 электрических датчиков.

Преимущества и недостатки оптических датчиков тока и напряжения
Преимущества:
• Широкий динамический диапазон измерений (токов до сотен кА, напряжения до сотен кВ).
• Высокая линейность.
• Широкий частотный диапазон, позволяющий анализировать гармоники напряжения и тока непосредственно в высоковольтной цепи.
• Отсутствие влияния нагрузки вторичных цепей и потерь в них.
• Высокая устойчивость оптоволоконных информационных каналов к внешним электромагнитным помехам.
• Меньшие массо-габаритные показатели.
• Первичный оптический преобразователь может быть удален от блока электроники на 450–900 м и более.
• Продолжительность установки и ввода в эксплуатацию измеряется часами, а не днями.
• Простота системы
• Высокая точность (до 10‑кратного уменьшения погрешности).
• Широкая полоса пропускания обеспечивает быструю реакцию на пульсации и нестационарные токи.
• Датчики обеспечивают измерение постоянных токов как в одном, так и в двух направлениях.
Недостатками таких датчиков является низкий температурный диапазон и необходимость специальных терминалов, что ведет к дополнительному увеличению их стоимости

Сравнительные характеристики оптических датчиков тока и напряжений различных компаний
Разработкой оптических датчиков напряжения и тока занимается целый ряд компаний. Интерес к разработкам, исследованиям и внедрению этих датчиков проявляется и в России. Впервые в нашей стране оптические преобразователи были продемонстрированы компанией «ПроЛайн» , являющейся эксклюзивным представителем компании NxtPhaseT&D Corporation, на выставке «Электрические сети России» в ноябре 2006 года. Уже в 2007 г. установлены и введены в эксплуатацию комбинированные оптические системы NXVCT220 на подстанции 220 кВ ОАО «РЖД». В апреле 2008 г. с применением оптического трансформатора NXCT-F3 в Сургуте создан опытный полигон для подтверждения его эксплутационных и метрологических характеристик. В декабре 2008 г. ОАО «ТГК1» с применением оптического трансформатора NXCT-F3 введена точка коммерческого учета. В 2006 г. в России создана компания ООО «Уникальные волоконные приборы», занимающаяся разработкой и изготовлением отечественных оптоволоконных трансформаторов тока и напряжения, которые, судя по публикуемым техническим характеристикам, не уступают лучшим зарубежным образцам.

Сравнительные характеристики оптических датчиков тока и напряжений различных компаний

Итог
Как следует из предложенного обзора, класс оптических датчиков тока и напряжения может занять существенное место в системах мониторинга, контроля и управления в энергетике, металлургической, химической, судостроительной и оборонной промышленности. Компания ABB, Inc. в свою очередь уже считается одним из лидеров в разработке и оптоволоконных датчиков для высоковольтных электроэнергетических приложений.