Возможности применения оптоволокна в качестве измерительного тракта

• Введение
• Глава 1. Каналы передачи электромагнитных помех и способы их ослабления
• 1.1 Связь через общее полное сопротивление
• 1.2 Магнитная связь
• 1.3 Использование симметричных цепей и уменьшение площади петли (стратегия разомкнутой цепи)
• 1.4 Экранирование
• 1.5 Экранирование цепи приемника помехи
• 1.6 Факторы, влияющие на коэффициент экранирования
• 1.7 Экранирование как метод ослабления связи через общее сопротивление
• 1.8 Эффективность экранирования на низких частотах
• 1.9 Эффективность экранирования на высоких частотах или при большой длине кабеля
• 1.10 Экранирование цепи источника помехи
• 1.11 Совместное действие симметрирования и экранирования
• 1.12 Передаточное сопротивление и проводимость экрана кабеля
• 1.13 Значимость передаточного сопротивления
• 1.14 Емкостная связь
• Глава 2. Применение оптоволоконной технологии в электроэнергетике
• 2.1 Оптоволокно
• 2.2 Оптоволоконные датчики тока
• 2.3 Устройства дуговой защиты
• 2.4 Канал связи
• Глава III. Использование оптоволоконного кабеля в качестве измерительного тракта
• 3.1 Источник
• 3.2 Приемник
• 3.3 Измерительный тракт
• Выводы
• Список литературы

При проведении измерений в электроэнергетики исследователи сталкиваются с целым рядом проблем, такие как: сложная электромагнитная обстановка, обусловленная наложением различных электромагнитных полей, неудачное сочетание параметров измерительной схемы и т. д. Такого рода проблемы могут приводить к искажению измерений и, даже, выходу из строя измерительной техники.

На текущий момент существуют различные способы борьбы с указанными проблемами, например экранирование или устранение связи через общий проводник. Хотя традиционно используемые способы и позволяют эффективно бороться с указанными проблемами, они не являются совершенными, поэтому необходимо искать новые решения позволяющие с меньшими затратами и более эффективно проводить измерения в высоковольтной электроэнергетике.

Целью данной работы является изучение возможности применения оптоволокна в качестве измерительного тракта.

Глава 1. Каналы передачи электромагнитных помех и способы их ослабления

1.1 Связь через общее полное сопротивление

Этот механизм связи возникает, когда разные цепи имеют в своем составе одно или несколько общих сопротивлений.

Простейшим и наиболее общим случаем такой связи являются цепи, имеющие общий «обратный провод», обычно являющийся сетью заземления, причем предполагается, что он не идеален, то есть имеет отличное от нуля сопротивление. На рисунок 1.1 приведен пример такой цепи, состоящей из двух контуров.

Рисунок 1.1 — Механизм связи через общее полное сопротивление

Благодаря наличию общего сопротивления Z_C падение напряжения на сопротивлении нагрузки контура Е₁, Z_L1 представляет собой алгебраическую сумму полезной ЭДС Е₁ и напряжения помехи, вызванной протеканием тока в контуре E_2, Z_L2, поскольку сопротивление Z_L1 обычно намного больше общего сопротивления Z_C, таким образом, напряжение помехи составляет величину Z_CI₂, где Z_C соответствует передаточной функции, вследствие чего в данном случае может быть названо передаточным сопротивлением.

Существует два возможных пути ослабления связи через общее полное сопротивление без воздействия на источники помех:

· устранение общего обратного провода (стратегия разомкнутой цепи);

· уменьшение полного сопротивления обратного провода (стратегия короткозамкнутой цепи).

При рассмотрении контуров заземления, эти два метода иногда приводят к диаметрально противоположным результатам:

· устранение общего обратного провода эквивалентно задаче обеспечения каждой сети не более одного присоединения к земле, что ведет к концепции радиальной схемы заземления (схемы заземления звездой);

· уменьшение сопротивления обратного провода, напротив, означает увеличение числа проводников (так как простое увеличение сечения проводника слабо влияет на его индуктивность), увеличение количества точек заземления ведет к образованию сложнозамкнутой сети заземления.

Противоречие между двумя подходами может быть устранено, если сделать разделение между заземлением активных цепей, переносящих полезный сигнал и заземлением металлических корпусов и экранирующих цепей.

Стратегию разомкнутой цепи следует применять к активным цепям: общие обратные провода в активных цепях следует (по возможности) устранять. Такие цепи следует заземлять в одной точке.

С другой стороны, стратегия короткозамкнутой цепи применяется в оставшемся большинстве случаев, в частности, при заземлении всевозможных экранов.

Существуют два важных исключения, для которых связь через общее полное сопротивление не может быть устранена. Это — сети электроснабжения и связи коаксиальными кабелями.

Однако для сетей с коаксиальными кабелями (как и для всех цепей переменного тока), может быть достигнуто естественное устранение рассматриваемой связи посредством уменьшения площади петли каждой цепи, как показано на рис. 1.2, где приведен план пространственного расположения двух цепей с тремя возможными обратными проводами.

Рисунок 1.2 — Естественное устранение связи цепей с общим полным сопротивлением на переменном токе

На данном рисунке изображены три обратных провода с сопротивлениями Z_1, Z_C,Z₂ по которым даже при практическом равенстве их поперечных сечений и длин будут протекать разные токи. Переменный ток I₁ большей частью будет возвращаться по проводнику Z_1, переменный ток I_2, будет возвращаться преимущественно по проводнику Z_2, а в проводнике Z_C ток будет практически отсутствовать.

Данный механизм известен под названием эффекта близости, а на высоких частотах проявляется и поверхностный эффект. Благодаря этому важному эффекту становится возможным создание высокочастотных сетей с множественным заземлением, в которых проблема помех, создаваемых токами внешних возмущений, практически отсутствует.

Примеры помех, передаваемых посредством общего полного сопротивления:

· токи КЗ частотой 50/60 Гц в заземлителе, используемом в качестве плоскости нулевого потенциала;

· прямое попадание молнии в контур заземления, цепи или оборудования (например, в антенны);

· разряд статического электричества непосредственно на оборудование;

· перекрестные помехи между цепями, имеющими общее сопротивление;

· гармонические составляющие, колебания и провалы напряжения в цепях электропитания.

1.2 Магнитная связь

Магнитная связь (наряду со связью через общее полное сопротивление), является наиболее часто встречающимся видом проникновения помех. Данная связь имеет место в любом случае, когда две цепи имеют общий магнитный поток. Обычно таким случаем является ситуация, когда земля является частью обеих цепей и, по крайней мере, по одному проводнику протекает ток.

В простейшем случае, приведенном на рисунке 1.3, связь образуется между двумя параллельными проводниками, расположенными над поверхностью земли, которая служит обратным проводом для обоих контуров.

оптоволоконный измерительный тракт помеха Рисунок 1.3 — Магнитная связь Предположим, что цепь E_{2 -} R₂ — L₂ является источником возмущения, цепь E_{2 -} R₂ — L_{2 -} Z_{L1 -} приемником, а полезный сигнал (ток) в этой цепи много меньше, чем ток цепи, создающий помеху, вследствие чего его влиянием, вследствие чего его влиянием на вторую цепь можно пренебречь. Темная зона представляет собой площадь, пронизываемую общим магнитным потоком и определяющую, таким образом, величину взаимной индуктивности M между двумя контурами.

Решение уравнений, описывающих данную цепь, показывает, что напряжение U₁ является суммой напряжения полезного сигнала E₁Z_L1/ (Z_L1+Z₁);

· индуцированного напряжения помехи

Если два контура расположены вблизи друг от друга, то величина М приближается к значению L₁, что при сравнении выражения на рис. 1.3 с выражением на рис. 1.1 позволяет утверждать, что величина играет здесь туже роль, что и Z_C. Этот факт говорит о том, что механизмы связи через общее полное сопротивление и посредством взаимной индуктивности иногда трудно различимы.

На самом деле, различие является искусственным и связано с особенностями теории цепей. Сложность при использовании теории цепей состоит в том, что применение второго закона Кирхгофа

вместо

подразумевает, что выражение заменяется на

Отсюда вытекает требование о том, что индуктивность L может быть определена только для замкнутого контура (то есть цепи), сцепленного с магнитным потоком Ф.

Данное утверждение приводит к следующим важным выводам:

· падение напряжения между двумя точками в пространстве нельзя определить однозначно, так как оно зависит от пути, используемого для проведения измерений;

· наведенные напряжения не могут быть сосредоточены в какой-либо части обмотки (исключением является падение напряжения между выводами катушки индуктивности, так как считается, что магнитный поток внутри сердечника много больше внешнего потока);

· индуктивность свойственна только замкнутой петле. Однако, можно однозначно наделить индуктивностью часть петли.

В действительности же, основным понятием, о котором следует помнить, имея дело с понятиями собственной или взаимной индуктивности цепи, является отношение магнитного потока, создаваемого цепью или сцепленный с ней, к току. Понятие магнитного потока универсально и не связано ни с какими упрощенными теориями. Данное понятие может быть применено вне зависимости от частоты колебаний поля и размеров цепи.

Однако, сделав подобные выводы, можем задаться вопросом: а правомерно ли говорить об индуктивности одиночного провода?

Падение напряжение между двумя точками цепи зависит от пути измерения. Пусть имеется труба и три цепи измерения падения напряжения на ней (рис. 1.4)

Контур измерения 1. Измеряются сумма падений напряжений U₁ на активном сопротивлении трубы и ЭДС, наведенная во внешней петле.

Контур измерения 2. Измеряется только резистивное падение напряжения U₂ (на внешней поверхности трубы), увеличивающееся на высоких частотах вследствие поверхностного эффекта.

Контур измерения 3. Измеряется падение напряжение на внутренней поверхности трубы U_3. Так как с увеличением частоты ток вытесняется на поверхность трубы, то падение напряжения U₃ также уменьшается. Вследствие того, что магнитное поле не проникает внутрь трубы, отсутствует наведенная (как в первом случае) ЭДС.

Рис. 1.4 Падение напряжения между двумя точками цепи В литературе часто встречаются значения погонной индуктивности одиночного провода — 1−2 мкГн/м. Что под этим подразумевается?

Чтобы разобраться с этим вопросом, необходимо обратится к формуле для расчета погонной индуктивности двух бесконечно длинных параллельных проводников.

Индуктивность бесконечно длинного провода радиусом r, расположенного на высоте h над абсолютно проводящей поверхностью земли, может быть рассчитана как:

(1.1)

Принимая радиус провода равным 5 мм и варьируя высоту провода над поверхностью земли в диапазоне от 25 см до 25 м (что эквивалентно размещению обратного провода (отражения проводника в земле) на расстоянии от 0,5 до 50м), получим, что при m=m₀ величина индуктивности петли находится в диапазоне от 0,9 до 1,8 мкГн/м.

На практике это означает следующее. при рассмотрении вопросов ЭМС в случае, когда обратный провод находится на расстоянии, много большем радиуса проводника (или эквивалентного радиуса — при рассмотрении кабеля), можно говорить об индуктивности (в действительности о собственной индуктивности) величиной 1 мкГн/м.

Вернемся к первоначальной теме изложения — проблеме магнитной связи и рассмотрим возможные пути ее ослабления.

1.3 Использование симметричных цепей и уменьшение площади петли (стратегия разомкнутой цепи)

Устранение общих обратных проводов и уменьшение площади петли может быть достигнуто по средством симметрирования контура 1 по отношению к земле (рис. 1.5), то есть созданием симметричной цепи.

Рис. 1.5 Ослабление индуктивной связи созданием симметричной цепи

Напряжения, создаваемые между проводниками симметричной цепи, относятся к противофазным напряжениям иногда называемым напряжением дифференциального типа, нормального типа, в отличие от синфазных напряжений, возникающих между проводниками и землей, которые иногда называют напряжениями общего вида, продольными напряжениями.

Отношение напряжения помехи в цепи с отдельным обратным проводом к напряжению помехи, наводимому в цепи с общим обратным проводом, выраженное в децибелах, в литературе по системам связи носит название коэффициента продольных потерь на преобразование, а в теории цепей — коэффициент снижения помехи общего вида. Количественно он сильно зависит от несимметричности цепи (линии и оконечного оборудования) по отношению к земле.

Наилучшим методом для симметрирования цепи является применения витых пар. В этом случае ЭДС, наводимые в каждой петле, компенсируют друг друга (см. рис 1.6)

Рис. 1.6 Дополнительное ослабление индуктивной связи при помощи витой пары

Эффект ослабления помехи от применения витой пары (по отношению к обычным проводам) растет с увеличением числа витков на единицу длины и с увеличением длины кабеля, и падает при увеличении сопротивления нагрузки.

На низких частотах возможно снижения уровня помех более, чем в 100 раз (на 40 дБ), при расстоянии между двумя последовательными перестановками проводов 5 см. Большее снижение помех становится затруднительным вследствие небольшой асимметрии внутри самого кабеля и на его концах. Более того, при частотах более 100 кГц польза от использования витой пары уменьшается и почти совсем пропадает при частотах выше нескольких МГц. Что касается численных значений коэффициента ослабления, то они варьируются (для одиночной витой пары) от 90дБ на низких частотах до 30 дБ на частоте 1 МГц.

1.4 Экранирование

Другим способом ослабления индуктивной связи между контурами 1 и 2 является прокладка около первого проводника (или, как будет видно далее, около второго проводника) короткозамкнутого контура 3, сцепленного с магнитным потоком, как можно более близким к магнитному потоку контура 1 (или 2) (см. рис. 1.7)

Рис. 1.7 Экранирование магнитного поля при помощи заземленного проводника

Контур 3 взаимодействует с магнитным потоком подобно короткозамкнутой вторичной обмотке трансформатора.

В соответствии с законом Ленца ток в третьем контуре I₃ вызывает появление магнитного потока той же величины, что и вызвавший его поток, но противоположного знака, и, таким образом, компенсирует его.

Единственный способ удостовериться, что потоки, охватываемые контурами 1 и 3 (или 2 и 3), одинаковы, это использовать в качестве третьего проводника трубку, окружающую проводник 1 или 2.

Таким образом, получается экран, заземленный на обоих концах (1.8)

Рис. 1.8 Экранирующее действие трубчатого проводника, окружающего цепь приемника

1.5 Экранирование цепи приемника помехи

Рассмотрим более детально эффективность такого экранирования, для чего получим решение уравнения цепи, изображенной на рис. 1.7 для схемы на рис. 1.8 Для простоты предположим, что E₁=0 и Z_L1=, то есть током I₁ по сравнению с I₂ и I₃ можно пренебречь:

(1.2)

(1.3)

Здесь

Если проводник 3 расположен очень близко к проводнику 1, то магнитные потоки, сцепленные с обеими цепями, почти одинаковы. Отсюда следует, что M₁₂=M₃₂ и Z₁₂=Z₃₂.

Из (1.3) следует

(1.4)

или

(1.5)

Пусть Ф₁ и Ф₁₃ — магнитные потоки, сцепленные с контуром экрана и проводника 1 соответственно, созданные током в экране I₃. Тогда

Если экран представляет собой совершенный цилиндр, то внутри него магнитный поток отсутствует, и тогда Ф₃=Ф₁₃, L₃=M₁₃.

В реальных условиях, когда экран выполнен из фольги, сплетен из проволоки и т. д., ток в экране создает некоторую продольную или радиальную составляющую магнитного потока, не сцепленную с первым контуром. Тогда разность L_t=L₃ — M₁₃ не равна нулю и называется передаточной индуктивностью (обычно передаточная индуктивность выражается на единицу длины, и, таким образом, должна быть умножена на длину l цепи, которая должна быть много меньшей длины волны).

Подобно погонному сопротивлению, величина называется передаточным сопротивлением экрана или сопротивлением связи, через общий проводник (то есть экран) и является характерным свойством кабеля, поэтому выражение для расчета наведенного в контуре 2 напряжения принимает вид:

(1.6)

где

(1.7)

В этом выражении: — напряжение помехи (продольная наведенная ЭДС), появляющееся на нагрузке цепи 1, если экран отсутствует; - коэффициент ослабления. Он представляет собой отношение напряжения помехи, измеренного при наличии заземленного экрана, к этому же напряжению к отсутствии экрана. Выраженный в дБ, он носит название коэффициента эффективности экранирования или коэффициента экранирования (S).

В формулах (1.6) и (1.7) R_G — активное сопротивление пути возврата тока экрана через землю, то есть удвоенное сопротивление заземления одного из концов (при допущении о том, что R_G поровну разделено на обе стороны экрана).

Таким образом, для получения возможно большего эффекта снижения помехи необходимо, чтобы передаточное сопротивление было много меньше полного сопротивления экранирующей цепи (включая путь возврата через землю).

1.6 Факторы, влияющие на коэффициент экранирования

Причина, по которой индуктивность L₃ должна оставаться большой, это необходимость иметь возможно более тесно связанные контуры 1 и 3 для достижения равенства Ф₃₂=Ф₁₂.

Наиболее действенный ограничивающий фактор в деле снижения напряжения помехи обусловлен сопротивлением R₃ экрана (при высоких частотах — Z_t).

Заметим, что величина R_G, присутствующая одновременно в числителе и в знаменателе выражения для определения U₁, не является в нем определяющей. Очевидно, что увеличение R_G приводит к росту падения напряжения на контуре заземления и, соответственно, продольного напряжения помехи (связь через общее сопротивление).

Более сложным является понимание того факта, что увеличение R_G также ведет к уменьшению (т.е. улучшению) коэффициента ослабления k.

Необходимо рассмотреть два возможных случая:

а) чисто индуктивная связь

В этом случае:

Наведенная ЭДС делится на сопротивлениях R₃ и R_G.

Отсюда следует, что чем больше величина сопротивления R_G, тем меньше падение напряжения на сопротивлении R₃, то есть будет присутствовать напряжение помехи U₁.

б) Связь частично индуктивная, частично через общее сопротивление (рис. 1.7 и рис. 1.8).

В этом случае:

При сильном росте сопротивления R_G значение тока I₃ будет стремиться к значению тока I₂ и может превысить допустимую токовую нагрузку на экран. Поэтому в большинстве случаев стараются, чтобы сопротивление R_G было как можно меньшим.

В любом случае не столь важно присоединить экран к заземлителю, как присоединить его к заземленному корпусу оборудования (см. рис 1.9) для того, чтобы сильно уменьшить площади, А и В на рис. 1.8.

Эти площади соответствуют той части магнитного потока, созданного контуром 2 (источником), которая сцеплена с контуром 1 (приемником) и не сцеплена с контуром 3 (экраном). Отношение этого потока к току I₃ является ни чем иным, как, так называемой, собственной индуктивностью заземляющих выводов экрана L_{G (}величиной около 1 мкГн/м).

Так как она проявляется в разности L₃ — M₁₃, то она должна быть добавлена к величине Z_tl, откуда следует обобщенное выражение для коэффициента ослабления k:

(1.8)

В идеальном случае экран кабеля должен быть продолжением корпуса оборудования, к которому он присоединен.

Приведем практический пример того, как низкокачественно выполненное заземление экрана может снизить эффективность экранирования.

Качественный экран обычно имеет передаточное сопротивление на частоте 1 МГц на уровне 10мОм/м. Это означает, что для кабеля длиной 20 м величина Z_tl будет составлять менее 0,2 Ом.

Допустим, что кабель по обоим концам заземлен проводниками длиной 20 см. Вследствие этого на частоте 1 МГц на обоих концах кабеля получим индуктивное сопротивление величиной более 1 Ом (принимая L_G=1 мкГн/м). Таким образом, необходимо добавить к передаточному сопротивлению кабеля величиной 0,2 Ом дополнительно 2 Ом.

Зная, что индуктивное сопротивление подобного кабеля на частоте 1МГц составляет приблизительно 100Ом (принимая L₃ =1 мкГн/м), получим ухудшение коэффициента ослабления с величины 0,2/100 до 2,2/100 или увеличение амплитуды помехи на порядок.

Наилучшее с точки зрения помехозащищенности заземление экрана должно включать в себя заземление экрана по всей его окружности. Рекомендуется использовать данное подключение экрана во всех случаях, когда кабели выходят из металлического корпуса оборудования.

Заземление экранов кабеля следует осуществлять, как показано на рис. 1.9

Рис. 1.9 Различие между заземлением экрана отдельным проводом и заземлением экрана через корпус оборудования

1.7 Экранирование как метод ослабления связи через общее сопротивление

Следует отметить, что коэффициент ослабления k экрана кабеля может применятся вне зависимости от происхождения напряжения помехи U'_1, другими словами, напряжение U'₁ может быть вызвано чисто магнитной связью.

ЭДС определяется как однако ее появление может быть вызвано повышением потенциала заземлителя (через гальваническую связь) — или, в общем случае,

Таким образом, несущественно, чем вызвано появление напряжение помехи U'_{1 -} активной составляющей заземляющего проводника или индуктивной.

Однако в дальнейшем увидим, что эффективность экранирования на низких частотах очень мала и экранирование практически бесполезно для ослабления связи через общее сопротивление на низкой частоте.

1.8 Эффективность экранирования на низких частотах

Коэффициент ослабления уменьшается с ростом частоты и при частоте 50/60 Гц может быть оценен по выражению:

(1.9)

Из этого выражения следует, что для снижения k необходимо либо уменьшить сопротивление R_{3 (}то есть увеличить поперечное сечение экрана, использовать медные и алюминиевые экраны (оболочки) вместо свинцовых, практиковать заземление неиспользуемых проводников в кабеле) или увеличить индуктивность цепи с обратным проводом через землю (L₃) посредством использования магнитных материалов (стальной брони, ферромагнетиков и т. д.).

Подобным образом величина индуктивного сопротивления может быть увеличена в 7 раз (с 0,7 Ом/км до 5 Ом/км). Однако при использовании ферромагнитных материалов следует помнить о возможности их насыщения. Оно происходит в тех случаях, когда напряженность магнитного поля достигает величины 10 А/см (1000А/м).

Обозначим через E, I, H продольную ЭДС, вызываемый ею ток и напряженность магнитного поля в экране, получим:

где r — радиус экрана;

где — полное сопротивление кабеля с землей в качестве обратного провода.

Отсюда

Однако при H=10 А/м, r=5 см и Z=5 Ом/км получим, что в бронированном кабеле (без достижения насыщения) на частоте 50/60 Гц может быть наведено максимальное допустимое напряжение

.

Такие значения очень часто превышаются при КЗ на высоковольтных электростанциях и подстанциях высокого напряжения.

1.9 Эффективность экранирования на высоких частотах или при большой длине кабеля

В этой ситуации сопротивление проводника начинает превалировать над сопротивлением нагрузки и становится одного порядка с сопротивлением экрана .

Тогда выражение для коэффициента ослабления (1.9) может быть записано в виде:

(1.10)

Для согласованной цепи

где — волновое сопротивление кабеля.

Отсюда

(1.11)

Последнее выражение, хотя и очень простое и зависит только от характеристик кабеля, должно использоваться осторожно, так как в нем не учитывается волновой эффект, считается, что резонанс отсутствует и ток I₃ синусоидальный.

Иногда приводят более общее выражение для коэффициента экранирования, учитывающее волновое сопротивление линии жила/экран Z_C1 и линии экран/земля Z_C3.

При подстановке в данное выражение волновых сопротивлений, равных 50 Ом, получим классическое выражение для коэффициента эффективности экранирования:

В случае, если длина кабеля сравнима с половиной длины воздействующей волны напряжения, то при расчетах требуется учитывать эффект распространения, что в свою очередь, требует применения численных методов.

Однако, введя допущение о том, сто оба проводника и экран включены на согласованное сопротивление, а затухание пренебрежительно мало, можно показать, что выражение (2.10) принимает следующий вид:

.

Коэффициент при низких частотах равен единице, а огибающая зависимости частоты имеет вид гиперболы при значениях частоты выше или (где и — скорость распространения электромагнитной волны по цепям 1 и 3) в зависимости от того, течет ли ток помехи от нагрузки или к нагрузке соответственно.

Максимальные значения коэффициента могут изменяться при явлении возможного резонанса в цепи, если проводники или экран не согласованы на своих концах.

1.10 Экранирование цепи источника помехи

Для снижения помехи вместо цепи приемника помехи можно экранировать цепь ее источника (рис. 1.10)

Рис 1.10 Экранирующее действие трубчатого проводника, окружающего источник помехи

Идея метода состоит в уменьшении магнитного потока источника. Кроме того, при таком исполнении в случае КЗ на землю в силовой сети сопротивление обратного провода будет меньше, чем в случае протекания КЗ через землю или через сеть заземления, а также исключается протекание опасных токов (вызванных КЗ) через экраны защищаемых кабелей. Такой подход ослабляет связь через общее сопротивление (принцип магнитной развязки).

выражение для коэффициента ослабления может быть снова получено из общего выражение (1.3), с учетом того, что теперь Z₁₂=Z₁₃. Отсюда:

(1.11)

По причинам, указанным ранее, мы имеем и вследствие чего, выражение для k принимает тот же вид, что и при экранировании цепи приемника.

Коэффициент ослабления силового кабеля иногда дается в виде эквивалентного выражения, т. е. в виде отношения тока в земле I₂+I₃ к току КЗ I₂.

В действительности, используя выражение (2.1) можно показать, что отношение эквивалентно выражению

На частоте 50/60 Гц Коэффициент k может достигать 0,1, если экран обладает малым активным сопротивлением и представляет магнитные материалы (стальные листы), не насыщенные магнитным потоком (насыщение достигается при превышении током значения 2000А).

При экранировании одновременно источника и приемника помех достигается большее ослабление помех, чем при экранировании одной из цепей, однако коэффициент ослабления меньше, чем произведение отдельных коэффициентов:

здесь Z_t1 и Z_t2 — передаточные сопротивления экрана цепи источника помех и экрана цепи приемника помех соответственно; Z₁?Z₁₁ и Z₂?Z₂₂ — сопротивления этих же цепей в сумме с сопротивлением пути возврата через землю; Z_M — полное взаимное сопротивление между указанными цепями с учетом цепи возврата через землю.

Во многих случаях заметный эффект ослабления может быть достигнут без применения экранирования, посредством прокладки кабелей в непосредственной близости от металлоконструкций с многократным заземлением, например, кабельных каналов, лотков, стеллажей, проводников заземления, экранов других кабелей и т. п

1.11 Совместное действие симметрирования и экранирования

Основной эффект от экранирования достигается, в основном, на высоких частотах (>10кГц) и его действие направлено на напряжения, возникающие между проводниками и землей (синфазное напряжение), тогда как применение симметрирования более эффективно на низких частотах (< 100 кГц) и воздействует на напряжения между проводниками (противофазное напряжение). Очевидно, что применение обоих методов дает наилучшие результаты. Напряжения общего вида частично вида частично преобразуется в противофазные напряжения из-за некоторой несимметрии кабелей и различий в сопротивлениях нагрузки, что делает весьма сложную задачу из предсказания. В частности, проведенные исследования показали, что передаточное сопротивление для противофазной помехи не всегда соотносится с передаточным сопротивлением для синфазной помехи.

1.12 Передаточное сопротивление и проводимость экрана кабеля

При рассмотрении вопросов ЭМС кабель рассматривают как набор из 2-х взаимосвязанных контуров жила — экран и экран — земля.

Рис. 1.11 Коаксиальный кабель, расположенный над плоскостью нулевого потенциала.

На рис 1.11 представлен коаксиальный кабель (т.е. экранированный проводник), расположенный над проводящей плоскостью нулевого потенциала.

При рассмотрении вопросов ЭМС данный кабель может быть рассмотрен как набор из двух взаимосвязанных контуров.

Первый контур состоит из внутреннего проводника (жилы) и внешнего проводника (экрана) кабеля, в то время как второй включает в себя внешний проводник (экран) кабеля и плоскость земли.

Обозначим токи, протекающие в контурах жила/экран и экран/земля через I_C и I_S, а напряжение между жилой и экраном и между экраном и жилой U_C и U_S. Для рассматриваемой системы запишем систему линейных дифференциальных уравнений:

где Z_C, Z_S, Y_C, Y_{S -} удельные сопротивления и проводимости обеих линий; Z_t и Y_t — сопротивление и проводимость связи через общий проводник (экран).

Сопротивление Z_S отличается от сопротивления Z_t, так как в его состав входит сопротивление земли. Более того, вследствие поверхностного эффекта при высоких частотах происходит частичная естественная развязка контуров и полностью изменяется зависимость обоих сопротивлений от частоты.

Получим выражения для сопротивления и проводимости связи:

Первый параметр Z_tdx представляет собой отношение разности напряжений между проводником и экраном на концах бесконечно малого элемента коаксиального кабеля dx к току, протекающему в экране; при этом в жиле ток отсутствует (измерения при разомкнутой цепи) — рис. 1.12а

Эквивалентное выражение для элемента конечной длины (вместо dx), обычно используемое для практических измерений, приведено на рис. 1.12 б.

Обычно для частот, меньших нескольких МГц, может быть выбрано равным 1 м.

Рис. 1.12 Передаточное сопротивление экрана

Сопротивление связи представляет собой сумму активной и реактивной составляющей. Активная составляющая — это ни что иное, как активное сопротивление экрана (по крайней мере, на низких частотах). Реактивная составляющая определяется изменением магнитного потока, созданного током I_S между внутренним и внешним проводником.

Для совершенно однородной трубки этот поток равнее нулю, если же в экране имеются отверстия или разрывы или путь протекания тока не параллелен оси кабеля (например, для спирально намотанных лент или проволоки), он не равен нулю.

При сравнении полученных выражений с формулами, приведенными ранее, видно, что они эквивалентны друг другу (I_S=I₃, R_t=R₃), причем подход к их выводу, приведенный здесь, является более строгим.

Таким образом, выражение представляет собой упрощенное выражение для передаточного сопротивления экрана. Оно напрямую (по крайней мере, для коротких по сравнению с длиной волны кабелей) характеризует уровень напряжения синфазной помехи общего вида, наведенного в кабеле (между жилами и экраном) при протекании по экрану тока помехи.

ПО аналогии с Zt, Yt является передаточной проводимостью, которая определяется напряжением между экраном и землей. В отличие от Zt, которое определяется связью через общее сопротивление и индуктивной связью, Yt отражает влияние емкостных токов, проникающих в кабель через разрывы в экране под влиянием приложенного к нему напряжения (или электрического поля). Передаточная проводимость представляет меньший практический интерес, чем передаточное сопротивление, и будет рассмотрена далее.

1.13 Значимость передаточного сопротивления

Передаточная функция является основным понятием для решения любого типа вопросов, связанных с механизмами передачи помех. Среди всех возможных типов передаточных функций, одним из важнейших является передаточное сопротивление экрана кабеля, так как:

· оно является характерным внутренним параметром каждого кабеля, хорошо изучено и может быть измерено и указано в спецификации;

· кабельная система любой установки играет важную роль в реализации механизмов передачи помех;

· значение передаточного сопротивления кабеля позволяет (в некоторой степени) разбить общую проблему взаимосвязи на две части, которые, как правило, раздельно решаются легче.

Первая часть, иногда называется внешней, включает в себя определение значения тока, протекающего по кабельному экрану при воздействии на него ЭМ поля.

Вторая часть, так называемая, внутренняя, состоит в определении напряжении помехи общего вида на концах экранированного кабеля.

Последняя часть весьма проста, если длина цепи много меньше наименьшего значения длины волны. В этом случае

Если это условие не выполняется, задача усложняется. В этой ситуации необходимо найти зависимость вида либо обратиться к численным методам.

Примеры помех, передаваемых магнитной связью:

· помехи при коммутациях на подстанциях с ОРУ;

· помехи, создаваемые магнитными полями, установками промышленной частоты;

· помехи при близких ударах молнии, то есть ударах в непосредственной близости от цепей автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами;

· помехи, вызванные разрядами статического электричества вблизи оборудования.

1.14 Емкостная связь

В отличие от индуктивной связи, емкостная связь проявляется под действием электрического поля источника помех, а не протекающих в нем токов.

Емкости связи весьма малы, поэтому при больших расстояниях между источником и приемником помех емкостная связь ощутима лишь при достаточно большом сопротивлении цепи приемника (нагрузочное сопротивление на концах кабеля) либо при очень близком расположении цепей приемника и источника.

Емкость между проводниками обратно пропорциональна расстоянию. К примеру два проводника одного кабеля обладают взаимной емкостью порядка 100 пФ/м. Увеличение расстояния между ними всего лишь на 5 сантиметров приводит к уменьшению взаимной емкости в 70 раз, в то время как дальнейшее увеличение расстояния до 50 см вызывает уменьшение емкости менее чем в 2 раза.

Данный пример показывает важность рассмотрения емкостной взаимосвязи при близком расположении цепей.

Единственным способом ослабления емкостной связи, если невозможна раздельная прокладка проводников или уменьшение сопротивления (стратегия разомкнутой цепи), остается экранирование защищаемого проводника и соединение экрана с заземлением в одной точке (стратегия замкнутой цепи), рис. 1.13.

Рис. 1.13 Емкостная связь и экранирование при емкостной связи

Экран для ослабления емкостной связи не настолько критичен к качеству исполнения, как экран для снижения индуктивной связи. Особую важность приобретает передаточная проводимость Y_t, передаточное же сопротивление теряет свое значение.

Проводимость зависит от структуры отверстий в экране и от удельной взаимной емкости между жилой и экраном.

Кабели в оплетке с большим коэффициентом покрытия, кабели в оболочке из металлической фольги или лент (даже в случае их спиральной намотки) обычно обладают очень низкой передаточной проводимостью, которой обычно можно пренебречь, если экран присоединен к земле.

В частности, это верно при низких частотах (50/60Гц) и объясняет, почему, например, такие некачественные проводники, как стены домов, достаточно эффективно снижают электрические поля внутри дома, вызванные внешними источниками электрических полей.

Однако снижение помех, обусловленных электрическим полем при помощи экрана, эффективно только при низких частотах, когда продольными сопротивлениями можно пренебречь по сравнению с поперечным емкостным.

При высоких частотах возникает необходимость заземления экрана более чем в одной точке, на обоих концах кабеля.

Примеры помех, передаваемых емкостной связью:

· помехи, создаваемые низкочастотным электрическим полем, создаваемым силовыми установками высокого напряжения;

· помехи, обусловленные быстрыми переходными процессами, вызванными коммутациями в сети низкого напряжения;

· перекрестные помехи в сигнальных кабелях;

· синфазные помехи за счет связи между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора, оптронов, трансформаторов тока или напряжения на ПС.

Глава 2. Применение оптоволоконной технологии в электроэнергетике

2.1 Оптоволокно

Оптическое волокном — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

В основе построения волоконных оптических линий положен принцип передачи по волокну световых волн на большие расстояния. При этом электрические сигналы, поступают на вход оптического передатчика, и далее преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по оптоволокну.

Оптическое волокно состоит из ядра и оболочки. Материалом ядра оптоволокна служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи по оптоволокну. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала ядра (N1) больше чем у оболочки (N2). Так происходит полное отражение светового луча внутри ядра оптоволокна.

При построении оптических систем используют многомодовое и одномодовое оптоволокно.

Многомодовое оптическое волокно позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в оптоволокно под разными углами. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по оптическому волокну. Поэтому главный недостаток многомодового оптоволокна — большая величина модовой дисперсии, ограничивающая полосу пропускания, и соответственно, дальность передачи по волокну оптических передатчиков. Многомодовое оптоволокно используется в волоконно-оптических линиях для передачи по волокну на расстояние не более 4−5 км.

Для уменьшения модовой дисперсии и сохранения высокой полосы пропуская, на практике применяют оптические волокна с градиентным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. В отличие от стандартных многомодовых оптических волокон, имеющих постоянный профиль преломления материала ядра, такое оптоволокно имеет показатель преломления N, который плавно уменьшается от центра к оболочке.

Одномодовое оптическое волокно сконструировано таким образом, что в ядре оптоволокна может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому такие оптические волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются при строительстве оптоволоконных линий. Основные преимущества одномодовых оптических волокон — малое затухание 0,25 db/км, минимальная величина модовой дисперсии и широкая полоса пропускания.

Рис. 2.1 Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду.

Оптоволоконная техника внесла огромный вклад в увеличение пропускной способности всемирных телекоммуникационных сетей и скорости передачи данных в них. Однако очевидно, что телекоммуникации — это не единственная область применения этих технологий. Поскольку основные компоненты таких устройств по своей природе являются диэлектриками и практически не подвержены влиянию электромагнитных помех Устройства на основе волоконной оптики можно сейчас обнаружить в самых разных сферах, включая измерительную технику.

2.2 Оптоволоконные датчики тока

Оптоволоконные датчики идеально подходят для измерения электрических токов и высоких напряжений на электрических подстанциях вместо тяжелых традиционных измерительных трансформаторов. В таких датчиках применяется эффект Фарадея (магнитооптический эффект) — явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованной световой волны, проходящей через среду, например, стеклянный блок, под влиянием магнитного поля. Линейная световая волна может быть также представлена парой совместно распространяющихся световых волн с левой и правой круговой поляризацией. В магнитном поле две волны с круговой поляризацией распространяются с разной скоростью, и тем самым между ними накапливается разность фаз, приводящая к вращению результирующей волны с линейной поляризацией на угол. В датчике

тока свет распространяется по замкнутому контуру, описанному волокном вокруг проводника. В режиме отражения разность фаз описывается следующим выражением:

(2.1)

где:

V — постоянная Верде, зависящая от материала степень проявления эффекта Фарадея,

N — количество витков, которые свет описывает вокруг проводника,

I — сила тока.

Из-за того что путь света замкнут, сигнал зависит только от силы тока и количества витков оптоволокна, и не зависит от геометрических параметров, таких как диаметр или форма витка.

Рис 2.2 Схематичное изображение оптоволоконного датчика для измерения сильных постоянных токов.

Среди основных компонентов датчика, как видно из рис. 2.2, оптоэлектронный модуль и чувствительное оптоволокно с одним выходом, идущее вокруг проводника тока

В состав оптоэлектронного модуля входит полупроводниковый источник света, цепь детектирования и цифровой сигнальный процессор. Две световые волны с ортогональной линейной поляризацией от источника света посредством промежуточного световода подаются на измерительное волокно. Оптоволоконный фазозадерживающий модуль преобразует линейные волны в волны с левой и правой круговой поляризацией на входе в измерительный световод. В магнитном поле тока эти световые волны проходят по измерительному световоду с разной скоростью, что приводит, в свою очередь, к разности оптического пути или, что эквивалентно, разности оптических фаз. Световые волны отражаются в конце световода и возвращаются по своим оптическим путям в оптоэлектронный модуль. Две полученных световых волны затем интерферируют в цепи детектирования. Сигнальный процессор преобразует разность оптических фаз в цифровой сигнал.

Суммарная разность фаз пропорциональна линейному интегралу магнитного поля по замкнутому контуру, описанному измерительным волокном, и является, таким образом, непосредственной мерой электрического тока. Сигнал не зависит от конкретной картины распределения магнитного поля при условии, что количество витков измерительного волокна является целым числом. (При больших токах, характерных для электрохимической промышленности, одного витка оптоволокна уже достаточно для измерения тока). Система оказывается нечувствительна и к перекрестным наводкам от токов, проходящих вне витка. Ни диаметр, ни форма витка оптоволокна не имеют значения.

Разность времен прохождения в двух направлениях для световых волн с левой и правой круговой поляризацией составляет от 10−21 до 10−15 с в зависимости от силы тока. Непосредственное измерение таких величин нецелесообразно, поэтому с высокой точностью измеряется разность оптических путей или фаз, которая является долей длины волны света. Для этого волны подвергают интерференции, т. е. налагают друг на друга. В зависимости от разности фаз волн, последние интерферируют с усилением или ослаблением. Наименьшая разность пути, которую удается измерить, в 100 раз меньше диаметра атома водорода и соответствует току 0,25 А (при измерении в течение одной секунды на одном витке). В настоящее время максимальный измеряемый ток, при котором разность путей равна целой длине волны, составляет ±600 кА (±500 кА+ 20% запаса).

Одним из преимуществ использования измерительного витка в режиме с отражением является то, что выходной сигнал датчика не зависит от механических воздействий и вибраций. В режиме с отражением в конце витка световые волны меняют состояние поляризации на обратное.

В результате противоположные сдвиги фаз, вызванные вибрациями, взаимно компенсируются, а совпадающие по направлению магнитооптические сдвиги по пути волн удваиваются.

2.3 Устройства дуговой защиты

Устройства дуговой защиты, изготовленные на основе волоконной оптики (оптоволокно) и современной микропроцессорной техники, используются для защиты ячеек КРУ, КСО высоковольтных электрических подстанций. Устройства успешно применяются и устанавливаются как на новых объектах, так и используются при реконструкции существующих.

Волоконно-оптические датчики (ВОД), установленные в отсеках высоковольтных шкафов, фиксируют световую вспышку от электрической дуги и передают ее по оптическому волокну в блок детектирования света устройства. Устройство формирует сигнал на отключение высокого напряжения от распредустройства, защищая оборудование от разрушения Датчик освещенности является пассивным (не требующим питания) распределенным волоконно-оптическим датчиком (т.е. воспринимающим свет боковой поверхностью на любом участке по всей его длине). Волоконно-оптический датчик изготовлен из диэлектрических материалов, что обеспечивает гальваническую развязку высоковольтных цепей от низковольтных. Это позволяет повысить безопасность эксплуатации и исключает возможность передачи коммутационных (или иного происхождения) электромагнитных помех от высоковольтных цепей в цепи автоматики и релейной защиты.

Фиксация дугового разряда происходит, на самом начальном этапе формирования дугового разряда — искровом. Широкая частотная полоса пропускания (порядка 70 кГц) и высокая чувствительность (160А) дают возможность регистрировать дуговые и искровые разряды, длительность которых от нескольких до сотен микросекунд, а яркость свечения на три порядка превышает яркость дугового разряда. Это позволяет быстро отключать поврежденный участок. Высокая надежность компонентов позволяет непрерывно работать при высокой температуре и в не отапливаемых помещениях.

Одноканальное устройство обеспечивает контроль всех отсеков 10−12 шкафов КРУ (двухканальное — 20−24 шкафов в одной секции или двух секций из 10−12 шкафов, т.к. каналы независимы друг от друга). Устройство универсально, т. е. без каких-либо переделок оно может устанавливаться в ячейках КРУ (КРУН) любых типов, при этом, для его установки требуется минимальный объем электромонтажных работ. При эксплуатации устройство практически не требует технического обслуживания.

2.4 Канал связи

Наиболее часто оптоволокно применяется в качестве канала связи.

Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 10¹³ — 10¹⁶Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50 000 Гбит/c). В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно.

Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10^-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.

Кабель может содержать много волокон, например 8 рис. 2.3 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием

Рис. 2.3 Сечение оптоволоконного кабеля

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 2.3 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами, А и Б помечен многомодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами. При современных же технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100 кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.