Разработка автоматической информационной системы энергоаудита (1206813), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

– гистерезиса;

– насыщения;

– остаточного намагничивания.

Конструктивные особенности данных устройств ведут к тому, что зачастую сами они могут быть источниками аварий на энергетических объектах. Эти несовершенства и побуждали разработчиков искать новые подходы к построению высоковольтных преобразователей, которые были бы основаны на других принципах работы [19].

Наиболее перспективным и результативным в этом поиске оказалось направление, связанное с использованием магнитооптических эффектов при разработке первичных датчиков тока и напряжения. На первый взгляд кажется, что свет и электричество – две совершенно разные, не взаимодействующие друг с другом материи. Этим объясняется, в частности, высокая электромагнитная помехоустойчивость волоконно–оптических линий связи (ВОЛС). Однако физики давно знают об эффектах, доказывающих влияние электрического и магнитного полей на световую волну. С практической точки зрения наиболее интересны эффекты Поккельса и Фарадея.

На сегодняшний день использование оптического волокна не ограничивается высокоскоростной и надежной передачей информации. Оптоволокно может быть использовано как датчик для мониторинга тока, напряжения, температуры, давления и ряда других параметров. Небольшие размеры и фактическое отсутствие необходимости в электроэнергии дают оптоволоконным–датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Волоконно–оптические датчики, которые измерят температуру и давление, созданы для мониторинга в нефтяных скважинах. Они превосходно подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны механизмы дуговой защиты с волоконно–оптическими датчиками, главными достоинствами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Неослабевающий интерес к оптоволоконным–датчикам тока, работающих на основе эффекта Фарадея, и датчиков напряжения, работа которых связана с использованием эффекта Поккельса, обосновывается высокими потенциальными возможностями данных устройств.

К достоинствам таких устройств относятся:

– колоссальный динамический диапазон измерений (токов до сотен кА, напряжения до сотен кВ);

– широкий частотный диапазон, который позволяет производить анализ и мониторинг гармоник напряжения и тока;

– отсутствие нагрузки во вторичных цепях и электрических потерь в них;

– высокая устойчивость оптоволоконных информационных каналов к внешним электромагнитным помехам;

– меньшие масса и габариты;

– первичный оптический преобразователь может быть удален от блока электроники на значительные расстояния.

Одним из самых основных достоинств оптических трансформаторов является безопасность. Безопасность изделий для высоковольтной энергетики крайне актуальна. Результаты взрывов на энергообъектах хорошо известны специалистам. В этом смысле оптические трансформаторы обладают полной безопасностью. Они не содержат горючих (масло, бумага) или экологически опасных (SF6) веществ, которые требуют постоянного контроля. Сама конструкция предполагает использование материалов, которые являются диэлектриками. В оптических трансформаторах нечему гореть и нечему подвергаться электрическому пробою [19].

Конечно, никто не отменял контроля состояния внешней изоляции. Все это значительно сокращает издержки при эксплуатации. Обслуживания требует только электроника, которая имеет самые полные функции самодиагностики. Другое главнейшее преимущество – шаг к полностью цифровой обработке в измерениях электрических величин.

На рис. 5.1 представлены цифровая и аналоговая система измерений и достигаемая в том и другом случае погрешность измерения.

Рисунок 5.1– Погрешность в цифровой и аналоговой схемах измерения

Применение таких датчиков особенно эффективно в высоковольтных и низковольтных электросетях, что объясняется тем, что наиболее сложные вопросы обеспечения изоляции, особенно для высоковольтных приложений, решаются автомат чески за счет физической природы преобразования, так как элементы оптики оптического волокна изначально являются диэлектриками. Соответственно, легко обеспечивается гальваническая развязка измерительной и высоковольтной цепи, повышается безопасность при эксплуатации данных устройств.

5.1.1 Работа оптического датчика тока

Как упоминалось выше оптоволоконный–датчик тока, который работает на основе эффекта Фарадея. Эффект Фарадея магнитооптический эффект, заключающийся в том, что при распространении линейно поляризованного света в оптически неактивном веществе, которое находится в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10¹¹—10¹² Гс. Конкретная реализация датчиков, использующих этот эффект, может отличаться и патентуется фирмами–производителями

Проходящий через изотропную среду линейно поляризованное свет всегда может быть представлен как суперпозиция двух право– и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право– и левополяризованного света становятся различными N₊ и N_–. Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево– и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны , прошедшего в среде путь L поворачивается на угол .

Эффект Фарадея выражается формулой (5.1)

, (5.1)

где – угол смещения излучения; – длинна волны излучения; N₊ и N_– – показатели {\displaystyle n_{+}-n_{-}} циркулярно право– и левополяризованного света соответственно; L– это путь, который прошло излучение.

В областях невысокого уровня магнитных полей разность показателей {\displaystyle n_{+}-n_{-}} циркулярно право– и левополяризованного света линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол описывается выражением (5.2)

, (5.1)

где – угол смещения излучения; H– напряжённость магнитного поля L– это путь, который прошло излучение, V– постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.

На рисунке 5.2 изображен оптический изолятор. Это оптический прибор, который пропускает свет в прямом направлении и поглощающий в обратном. Оптические изоляторы применяются в оптических линиях связи для защиты резонаторов лазерных передатчиков от отражённых сигналов, а также как входной элемент оптических усилителей. Действие оптического изолятора основано на эффекте Фарадея.

Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, который заключается в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Иначе говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.

Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.

Рисунок 5.2 – Оптический изолятор, использующий вращение плоскости поляризации света за счет эффекта Фарадея

Функциональная схема работы оптического датчика тока изображена на рисунке 5.3

Рисунок 5.3– Схема работы оптического датчика тока

Оптический сигнал благодаря разветвителю преобразуется в два право–и левополяризованных сигнала с противоположными друг другу направлениями вращения, поступающих в оптическую петлю, которая выполнена из некоторого количества витков оптического волокна. Магнитное поле, которое создает проводник с током, протекающим по проводу, в соответствии с эффектом Фарадея притормаживает один сигнал и наоборот ускоряет другой.

Два сигнала доходят до следующего кругового поляризатора, который в свою очередь преобразует их в линейно поляризованные световые потоки с плоскостями поляризации, которые сдвинуты друг относительно друга на угол:

, (5.2)

где V– это постоянная Верде; I– сила тока в проводнике, А; N– количество витков оптической петли.

Пришедшие световые излучения преобразуются фотоприемником в два напряжения переменного тока с частотой:

, (5.3)

где С– это скорость света, м/с; – длинна волны оптического излучения.

Полученные электросигналы попадают на ввод аналого–цифрового преобразователя электронного блока, который преобразует угол в цифровой сигнал с последующей обработкой в специальном микропроцессоре, который предназначен для анализа оцифрованных сигналов (как правило, в режиме реального времени).

Цифровой блок оснащен высокоуровневыми и низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, который поддерживает стандарт IEC 61850, что открыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерения.

5.1.2 Работа оптического датчика напряжения

Выше упоминалось, что так же существуют и оптические датчики напряжения, работающего на эффекте Поккельса, который заключается в возникновении двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля, что можно наблюдать у кристаллических пьезоэлектриков:

, (5.4)

где E– это напряженность электрического поля В/м; – длинна волны оптического излучения; L– это толщина пластины, м; К– оптико–электрические коэффициенты.

Упрощенная структурная схема оптического датчика напряжения с электронно–оптическим блоком изображена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4– Структурная схема оптического датчика напряжения

Эффект Поккельса находится в прямо пропорциональной зависимости от величины приложенного электрического поля. Напряжение рассчитывается на основании измерения датчиками напряженности электрического поля в нескольких точках колонны.

5.2 Анализ продукции выпускаемой производителями оптических датчиков

Разработкой оптоволоконных датчиков напряжения и тока занимается множество различных компаний, среди которых стоит обратить внимание на канадскую фирму NxtPhase T&D Corporation, шведскую компанию PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Airak, Inc., FieldMetrics, Inc.швейцарскую ABB и ряд других компаний.

Характеристики

Список файлов ВКР