Новый интерферометрический метод измерения электрического тока

Эффективное энергопотребление является одним из основных направлений развития современной техники. Актуальность этого направления деятельности человечества вызвало большой интерес к прецизионным методам и приборам для измерений основных параметров электрических генерирующих, транспортирующих и распределяющих устройств.

Одним из таких параметров является величина протекающего через устройства электрического тока. Основным недостатком используемых сейчас систем измерения тока являются характеристики первичных преобразователей — высоковольтных трансформаторов тока. Они требуют трудоемкого регулярного обслуживания, их погрешность зависит от режима нагрузки и имеет свойство накопления дополнительной погрешности, пригодны они только для измерения переменного тока. Также для анализа сигналов с первичных преобразователей используются электросчетчики, показания которых сильно зависят от качества электроэнергии. В качестве замены первичного преобразователя, можно рассмотреть распространившиеся в последнее время датчики на основе эффекта Холла, которые позволяют измерять постоянный ток и имеют большую точность, чем трансформаторы тока. Но общим недостатком измерительных трансформаторов и датчиков Холла является наличие эффекта насыщения, сильно ограничивающего диапазон измеряемых токов.

В настоящее время благодаря развитию волоконно-оптических технологий появились волоконные измерители тока. Они объединяют многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время присущих им недостатков.

ВОДТ являются оптимальным решением большинства задач, возникающих при измерении силы тока. Они обеспечивают прецизионные измерения в большом диапазоне измеряемых токов, позволяют обрабатывать сигнал в режиме реального времени, обеспечивая достоверность, 5 повторяемость и высокую точность измерений независимо от параметров анализируемого сигнала. ВОДТ обеспечивают электромагнитную совместимость с высоковольтным оборудованием, а также не требуют использования анализаторов сигналов первичного преобразователя, так как непосредственно выдают информацию об измеряемом токе. При этом они лишены актуальных для России проблем с установкой и последующей эксплуатацией датчиков. блок обработки чувствительный элемент защелка витка соединительный кабель проводник с током.

Рис. 1. Конструкция ВОДТ.

Конструктивно ВОДТ стоит из двух частей: чувствительного элемента и блока обработки (рис.1). Чувствительный элемент представляет собой волоконный кабель толщиной не более 10 мм, который замыкается кольцом вокруг контролируемого проводника. При этом для некоторых модификаций датчика нет необходимости разрывать и обесточивать контролируемый проводник, что является существенным преимуществом ВОДТ. Датчиком измеряется сила тока в проводнике, который охватывает кольцо, при этом результаты измерений не зависят от других проводников с током и внешних магнитных полей. Также показания датчика не зависят от взаимного расположения кольца и проводника с током. Блок обработки и чувствительный элемент датчика соединяются оптическим кабелем необходимой для эксплуатации длины, выполняющий функцию линии связи между ними. Чувствительный элемент и волоконная линия связи не содержат токопроводящих частей, а также обеспечивается взрывобезопасность и радиационная устойчивость. Стоит также отметить, что датчик не требует регулярного обслуживания.

В настоящее время на мировом рынке представлены две компании, промышленно выпускающие ВОДТ, ниже приведены заявленные фирмами характеристики их моделей.

ABB FOCS — волоконно-оптический датчик компании ABB Switzerland (рис.2) для измерения постоянного тока до 500 кА имеет следующие характеристики:

• Точность измерения силы тока ±1%.

• Динамический диапазон измеряемых токов от 0 до ±500 кА.

• Частота измерений силы тока 4 кГц.

• Чувствительность к изменению температуры < ±0.002% на °С.

Рис. 2. Датчик тока ABB FOCS [1].

NXCT-F3 — прибор для измерения переменного тока в сетях до 100 кА производится компанией NxtPhase Corporation (рис. 3) и имеет следующие параметры:

• Точность измерения силы тока превосходит IEC Class 0.2, 0.2S и IEEE Class 0.3.

• Динамический диапазон измеряемых токов по умолчанию от 100А до 100 кА и регулируется по желанию заказчика.

• Частотный диапазон измеряемых токов от 0.5 Гц до 6 кГц.

• Температурный диапазон работы датчика, установленного на проводнике с током от -40 до 80 ()С.

Рис. 3. Внешний вид датчика тока NXCT-F3 [2].

Цели и задачи диссертации.

Целью работы является создание интерференционного метода измерения силы электрического тока с точностью не хуже 0.1% и динамическим диапазоном не хуже 10е на основе волоконно-оптических технологий. В качестве задач диссертации можно выделить разработку концепции измерителя, поиск путей создания и исследование составных элементов датчика, исследование макета прибора.

Научная новизна.

• предложен новый интерференционный метод измерения электрического тока с использованием двух обратных связей, который позволяет работать волоконному интерферометру в точке с максимальной чувствительностью при большом диапазоне измеряемых токов, обеспечивает линейность выходного сигнала и контроль работы модулятора двулучепреломления;

• предложена и экспериментально подтверждена новая методика изготовления волоконного фазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет с циркулярной поляризацией, обеспечивающая точность изготовления за счет контроля вносимой элементом разности фаз в процессе изготовления;

• экспериментально обосновано применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, который позволяет исключить из конфигурации интерферометра по схеме с обратным отражением волоконный деполяризатор, уменьшая при этом количество соединений оптического волокна и увеличивая, таким образом, точность измерений;

• предложен и исследован интегрально-оптический модулятор на основе волновода в кристалле ниобата лития для модуляции разности фаз ортогонально поляризованных волн, который позволяет управлять разностью фаз сигналом сложной формы и уменьшить длину волоконной линии задержки.

• предложена и экспериментально подтверждена оригинальная методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна, намотанного на катушку, к однородному магнитному полю, приложенному в плоскости, перпендикулярной оси катушки.

Объект исследования.

Объектом исследования является волоконно-оптический интерферометр, содержащий источник и приемник излучения, волокна с сохранением линейной и циркулярной поляризации, разветвитель, поляризатор, модулятор двулучепреломления, фазовый элемент и зеркало.

Достоверность научных положений.

Результаты исследования компьютерной модели и предложенных методик согласуются с практическими результатами.

Научные положения, выносимые на защиту.

• концепция построения интерференционного измерителя электрического тока с двумя обратными связями;

• методика создания волоконного фазового элемента;

• применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, позволяющего исключить из схемы измерения волоконный деполяризатор;

• применение модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, позволяющего в схеме измерения управлять разностью фаз двух волн сигналом сложной формы и уменьшить длину линии задержки;

• методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к магнитному полю, приложенному в перпендикулярной оси катушки плоскости.

Практическая ценность результатов.

Заключается в решении важных производственных и технологических задач, которые возникают при измерении силы электрического тока в производстве, транспортировке и распределении электроэнергии, а также в других областях, в которых необходимо измерение больших токов.

Область применения результатов.

Измерение электрического тока в электроэнергетике, при выплавке металлов электрическим током и электролизе, в исследовательской деятельности.

Список публикаций.

По материалам диссертационной работы опубликованы следующие материалы:

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Дейнека И. Г., Шрамко О. А., Тараканов С. А. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. № 49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 84−89.

2. Олехнович Р. О., Тараканов С. А., Изучение изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа, вызванного изменением температуры окружающей среды и внешним магнитным полем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. № 49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 164−174.

3. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Закрытая схема обработки сигнала в волоконно-оптическом датчике тока // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. № 65. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 10−15.

Изобретения:

4. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Волоконно-оптический датчик тока (справка о приоритете заявки на изобретение № 2 010 115 761 от 20.04.2010 г., приоритет от 20.04.2010 г.).

Прочие публикации:

5. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика тока // Тринадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации научных работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. СПб.: Фонд «ГАУДЕАМУС», 2008. с. 133.

6. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика магиитного поля и тока // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 1. Оптотехника и оптические материалы. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. с.246−249.

Апробация и внедрение результатов.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXVII, XXXVIII и XXXIX научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010), на XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2009) и на V, VI и VII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010).

На основании конкурса грантов комитета по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук 2008 г. получен грант по теме «Разработка волоконно-оптического датчика тока». На основании конкурсного отбора работ молодых ученых по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в течение года проводится НИОКР по теме «Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока».

На кафедре Физики и техники оптической связи ГОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан рабочий макет волоконно-оптического измерителя тока с двумя обратными связями.

В результате проведенного исследования на волоконно-оптический измеритель тока с применением двух обратных связей подана заявка на патент.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста с рисунками и таблицами, библиография включает 60 наименований.

Выводы по 4 главе.

Таким образом, созданный макет позволяет продемонстрировать работу измерителя, построенного по предложенной автором конфигурации и с использованием созданных и исследованных составных частей. А предложенный метод позволяет минимизировать негативное влияние на измерение магнитных полей.

Заключение

.

В результате представленного диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1. Создан новый интерферомегрический метод измерения электрического тока с двумя обратными связями.

2. Создана новая методика изготовления волоконного вазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет, поляризованный по кругу.

3. Измерена степень поляризации волоконного суперлюминесцентного эрбиевого источника, и установлено, что при его использовании можно исключить из интерферомстрической схемы волоконный деполяризатор.

4. Исследованы свойства предложенного волоконно-оптического модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, который позволяет модулировать разность фаз между двумя световыми волнами сигналом с широким спектром.

5. Создан оригинальный метод компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к однородному магнитному полю, направленному в перпендикулярной оси катушки плоскости.

Перспективными вопросами дальнейших исследований остаются способы дальнейшего повышения стабильности показаний прибора в изменяющихся внешних условиях, таких как вибрации и изменение температуры.