Волоконно-оптический датчик электрического тока

Полезная модель относится к волоконно-оптическим датчикам измерения электрического тока или магнитного поля и может быть использована в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики. Датчик содержит чувствительный элемент в виде контура с целым числом свободно уложенных витков из магниточувствительного оптического волокна с отражателем излучения и четвертьволновой пластинкой на концах, которые совмещены и неподвижно соединены друг с другом отвержденным эпоксиакрилатом. Для размыкаемой измерительной петли соединенные волокна помещены в защитную трубку и герметичный разъемный корпус с узлами крепления силовых элементов и герметизации оптических кабелей.

Полезная модель относится к волоконно-оптическим интерферометрическим датчикам для измерения электрического тока или магнитного поля и может быть использована в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.

Большинство известных волоконно-оптических датчиков электрического тока работают на магнитооптическом эффекте Фарадея. Электрический ток в проводе индуцирует магнитное поле, которое поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего проводника. Детектирование и цифровая обработка сигнала позволяют измерять элетрические токи (магнитные поля) с погрешностью измерения 0,2% и меньше. Данный метод измерения реализован как для гибких разъемных, так и для жестких неразъемных проводников (токопроводов, шинопроводов). В первом случае используют неразмыкаемую волоконно-оптическую измерительную петлю, внутри которой размещают токопровод. В этом случае, волоконно-оптическую петлю, как правило, выполняют в виде многовиткового волоконного контура, уложенного на каркас и дополнительно защищают его от механических воздействий. Во втором случае используют размыкаемую волоконно-оптическую измерительную петлю, конструктивные возможности которой позволяют произвольным образом располагать измерительную петлю без демонтажа и разрыва шинопровода. В этом случае, волоконно-оптическую петлю выполняют, как правило, из отрезка волоконно-оптического кабеля, охватывающего проводник с током, намотанного на каркас или на сам проводник.

Магниточувствительное волокно в условиях эксплуатации подвергается воздействию климатических и механических внешних воздействующих факторов таких, как изменение температуры окружающей среды, вибрации и пр. Магниточувствительное оптическое волокно свободно уложено как в неразмыкаемой волоконно-оптической петле, так и в оптическом модуле оптического кабеля размыкаемой петли, поэтому такие изменения приводят к смещениям концов волоконно-оптической петли друг относительно друга, что нарушает замкнутость контура и снижает точность измерения. Наиболее сильно влияние внешних воздействующих факторов проявляется при эксплуатации датчика тока с размыкаемой волоконно-оптической петлей. Оптическое волокно имеет значительно меньший температурный коэффициент линейного расширения (_L) по сравнению с _L для материалов из которых изготовлены оболочки кабеля. Поэтому при изменениях температуры волокно перемещается в продольном направлении относительно кабеля. В случае с неразмыкаемой петлей такие продольные перемещения значительно меньше, т.к. материал каркаса выбирают аналогичным материалу волокна. Тем не менее, остаются возможные поперечные смещения концов магниточувствительного волокна под влиянием механических внешних воздействующих факторов.

Известен волоконно-оптический датчик тока [FIBER OPTIC CURRENT SENSOR. Патент США US 6,188,811], который включает в себя чувствительный элемент измерительного преобразователя тока, состоящий из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun-волокно), имеющим на одном конце отражатель излучения (зеркало), а на другом конце - соединение с четвертьволновой пластинкой (/4).

Последняя, в свою очередь, соединена с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию излучения. Магниточувствительное оптическое волокно формирует чувствительный контур вокруг проводника с током. Недостатком известного технического решения является неиспользованный резерв повышения точности измерения тока за счет совмещения в пространстве отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, ограничивающих длину чувствительного контура.

Наиболее близким техническим решением является волоконно-оптический датчик тока [Волоконно-оптический датчик тока. Патент РФ RU 2437106]. Датчик состоит из оптического и электронного модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, поляризатор излучения, модулятор двулучепреломления, волоконную линию и измерительный контур, состоящий из целого числа витков магниточувствительного оптического волокна, имеющий на концах отражатель излучения и поляризационный конвертор (четвертьволновую пластинку). Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала. Прототип и известные волоконно-оптические датчики тока работают на принципе эффекта Фарадея. Ток в проводнике индуцирует магнитное поле, которое посредством эффекта Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего проводника. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг проводника с током в виде контура с целым числом витков N, тогда поворот плоскости поляризации излучения на выходе из контура зависит от тока в проводнике и не зависит от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Угол поворота плоскости поляризации

=Vdl,

где V - постоянная Верде для материала оптического волокна, Н - магнитное поле, dl - элемент замкнутого контура l. Важно отметить, что интеграл берется по замкнутому пути контура l вокруг проводника с током. На практике это означает целое число витков магниточувствительного волокна замкнутого контура произвольной формы. Поэтому для адекватной работы датчика тока необходимо возможно более точное совмещение в пространстве отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, которые ограничивают выбор длины магниточувствительного волокна. Недостатком известного технического решения является возможность взаимного смещения отражателя излучения и четвертьволновой пластинки в процессе эксплуатации при температурных и механических воздействиях, что приводит к снижению точности измерений тока.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности волоконно-оптического датчика электрического тока и снижение погрешности измерения тока из-за внешних температурных и механических воздействий на волокно в процессе эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик состоит из электронного и оптического модулей, содержит чувствительный элемент из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением, имеющего на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном кабеля, сохраняющим поляризацию, причем магниточувствительное волокно свободно уложено в виде витков, охватывающих проводник с измеряемым током, а отражатель излучения и четвертьволновая пластинка первоначально совмещены друг с другом, участки магниточувствительного оптического волокна, примыкающие к отражателю излучения и к четвертьволновой пластинке, неподвижно соединены, например, отвержденным эпоксиакрилатом. Вариант исполнения устройства содержит соединенные участки магниточувствительного оптического волокна помещенные в защитную трубку, которая неподвижно закреплена в герметичном разъемном корпусе, корпус содержит элементы герметизации защитных покровов оптических волокон и элементы крепления силовых элементов кабеля, причем оптические волокна внутри корпуса размещены свободно.

Существенными признаками заявленной полезной модели, являются:

- Датчик состоит из электронного и оптического модулей, содержит чувствительный элемент из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением, имеющего на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном кабеля, сохраняющим поляризацию. Признак обеспечивает возможность получения угла поворота плоскости поляризации излучения под действием тока в охватываемом проводнике, а также обработку полученного сигнала и расчет величины измеренного тока.

- Магниточувствительное волокно свободно уложено в виде витков, охватывающих проводник с измеряемым током. Признак обеспечивает сведение к минимуму механическое воздействие стенок каркаса или оптического кабеля на чувствительное волокно.

- Отражатель излучения и четвертьволновая пластинка первоначально совмещены друг с другом. Признак обеспечивает при первоначальной сборке волоконно-оптической петли независимость измеряемого тока в проводнике от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Однако это не означает сохранение совмещения во время эксплуатации.

- Участки магниточувствительного оптического волокна, примыкающие к отражателю излучения и к четвертьволновой пластинке, неподвижно соединены, например, отвержденным эпоксиакрилатом. Признак обеспечивает сохранение совмещения отражателя излучения и четвертьволновой пластинки во время эксплуатации. При этом место нанесения эпоксиакриата на волокно находится на минимально возможном расстоянии от торца отражателя излучения. Этим достигают точное совмещение в продольном направлении указанных элементов.

- Соединенные участки магниточувствительного оптического волокна помещены в защитную трубку, которая неподвижно закреплена в герметичном разъемном корпусе. Признак обеспечивает свободное перемещение соединенных волокон вдоль трубки. Внутренняя поверхность трубки дополнительно ограничивает возможность смещения торца отражателя излучения относительно четвертьволновой пластинки. Размер отверстия в трубке достаточен для свободного размещения оптических волокон.

- Корпус содержит узлы крепления силовых элементов и герметизации кабелей. Признак обеспечивает защиту оптических волокон внутри разъемного корпуса от внешних воздействующих факторов в т.ч. от выдергивания кабелей из корпуса, увлажнения, загрязнения и пр. Герметизацию обеспечивают применением разъемных кабельных вводов и нанесением герметика на плоскость разъема корпуса. Защиту от выдергивания кабеля обеспечивают закреплением одного или нескольких силовых элементов кабеля при помощи резьбового крепления.

- Оптические волокна внутри корпуса размещены свободно. Признак обеспечивает возможность свободного (без натяга) перемещения места соединения оптических волокон при температурных деформациях корпуса и кабеля. При этом уменьшается влияние механических воздействий на волокно, влияющих на точность измерения.

Существенными отличительными признаками, влияющими на получение технического результата являются:

- Участки магниточувствительного оптического волокна, примыкающие к отражателю излучения и к четвертьволновой пластинке, неподвижно соединены, например, отвержденным эпоксиакрилатом.

- Соединенные участки магниточувствительного оптического волокна помещены в защитную трубку, которая неподвижно закреплена в герметичном разъемном корпусе.

- Корпус содержит узлы крепления силовых элементов и герметизации кабелей.

- Оптические волокна внутри корпуса размещены свободно.

Сущность полезной модели поясняется фиг.1 - фиг.4. Фиг.1 - схема соединения оптических волокон в неразмыкаемой волоконно-оптической измерительной петле. Фиг.2 - схема соединения оптических волокон в размыкаемой волоконно-оптической измерительной петле. Фиг.3 - вид сверху на разъемный корпус со снятой крышкой. Фиг.4 - разъемный корпус в изометрии без оптических кабелей. Цифрами на фиг.1 - 4 обозначены: 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - кабельный гермоввод, 4 - узел крепления силовых элементов оптического кабеля, 5 - защитная трубка в пазе корпуса, 6 - элемент резьбового крепления крышки и корпуса. Буквами на фиг.1 - 4 обозначены: ИП - измерительная волоконно-оптическая петля, К - каркас, MB - магниточувствительное оптическое волокно, НС - неподвижное соединение оптических волокон, ОИ - отражатель излучения, ОК - оптический кабель, ПВ - оптическое волокно сохраняющее поляризацию, ПР - проводник тока, СЭ - силовой элемент оптического кабеля, /4 - четвертьволновая пластинка.

Датчик содержит: 1 - корпус, 2 - крышку, 3 - кабельные гермовводы, 4 - узлы крепления силовых элементов оптического кабеля, 5 - защитную трубку в пазе корпуса, 6 - элементы резьбового крепления крышки и корпуса.

Чувствительный элемент датчика с неразмыкаемой волоконно-оптической петлей размещают в каркасе К (фиг.1). В качестве каркаса используют, например, разрезное кварцевое кольцо (тор), во внутреннем объеме которого свободно (без натяжения) размещают витки магниточувствительного оптического волокна MB с отражателем излучения ОИ и четвертьволновой пластинкой /4, а также заход оптического волокна, сохраняющего поляризацию ПВ. Каркас К устанавливают на проводник тока ПР и дополнительно защищают от внешних воздействий.

Неподвижное соединение НС четвертьволновой пластинки /4 и отражателя излучения ОИ получают нанесением, например, эпоксиакрилатной композиции на примыкающие участки магниточувствительного волокна и отверждением ультрафиолетовой лампой. Затем место соединения волокон перемещают из открытого участка во внутренний объем кольца. Такая фиксация оптических волокон оказывает минимальное воздействие внешних воздействий на свойства магниточувствительного волокна.

Чувствительный элемент датчика с размыкаемой волоконно-оптической петлей размещают внутри кабеля. Витки кабеля с магниточувствительным волокном охватывают проводник ПР (фиг.2). Магниточувствительное волокно свободно укладывают в оптическом модуле кабеля. Оптический модуль выполняют с увеличенным диаметром отверстия. Конец кабеля с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию ПВ и концы кабеля с магниточувствительным волокном MB заведены в корпус 1, установленный на некотором удалении от проводника ПР. В резьбовые отверстия корпуса 1 устанавливают кабельные гермовводы 3. На одном торце корпуса 1 расположен один гермоввод кабеля с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию излучения, а на противоположном торце - два гермоввода оптического кабеля, образующего волоконно-оптическую измерительную петлю. Разъемный корпус (корпус 1 и крышку 2) изготавливают из немагнитного материала. Корпус 1 имеет центральную часть, где расположены пазы для размещения защитной трубки 5 и силовых элементов кабелей СЭ. Защитную трубку 5 выполняют прозрачной для удобства контроля положения соединенных участков волокон. Там же выполнены отверстия под узлы крепления силовых элементов оптического кабеля. Справа и слева от центральной части корпуса 1 выполнены карманы для свободного размещения оптических волокон и прохода силовых элементов СЭ. Корпус 1 также имеет резьбовые отверстия для сборки с крышкой 2. В качестве элементов резьбового крепления корпуса 1 и крышки 2 используют винты, выполненные из немагнитного материала. Сборку-сварку концов кабелей осуществляют путем частичной разборки гермовводов и смещением зоны сварки за пределы корпуса 1 на длину, достаточную для размещения аппарата для сварки волокон. При этом защитную трубку 5 предварительно надевают на волокно ПВ и сдвигают от зоны сварки. Совмещение четвертьволновой пластинки /4 и отражателя излучения ОИ фиксируют нанесением, например, эпоксиакрилатной композиции на примыкающие участки магниточувствительного волокна и отверждением ультрафиолетовой лампой. После сборки-сварки устанавливают защитную трубку 5 на место фиксации ОИ и /4 и, перемещая сборку, устанавливают ее в паз корпуса 1. При этом оптические волокна, размещенные в карманах корпуса 1, укладывают свободно с запасом. Собирают гермовводы и закручивают их гайки. Наносят на плоскость разъема корпуса 1 герметик, устанавливают крышку 2 и закрепляют ее элементами 6.

При работе устройства возможные перемещения неподвижного соединения НС оптических волокон происходят внутри защитной трубки 5 без изменения взаимного положения ОИ и /4.

Примером выполнения полезной модели является волоконно-оптический датчик электрического тока, содержащий чувствительный элемент из магниточувствительного оптического волокна типа SPUN. Отражатель излучения получен скалыванием волокна. Четвертьволновая пластинка выполнена из оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Корпус 1, крышка 2 и винты 6 выполнены из полиамида. В корпус установлены кабельные гермовводы 3 13490 серии MGB-P [Сайт ООО «ЭКТ». Кабельные вводы и фитинги. Серия MGB-P. http://www.ect.ru/catalog.phtml?item=9/61/1/715 Дата обращения 28.08.2012. Режим доступа открытый]. Узлы крепления 4 выполнены на основе резьбовых втулок с отверстиями, зажимающих силовые элементы кабелей. Защитная трубка 5 выполнена из прозрачной силиконовой резины сечением 3 мм/1,5 мм производства компании «Пента».

1. Волоконно-оптический датчик электрического тока, состоящий из электронного и оптического модулей, содержащий чувствительный элемент из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением, имеющего на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку, далее соединенную с оптическим волокном кабеля, сохраняющим поляризацию, причем магниточувствительное волокно свободно уложено в виде витков, охватывающих проводник с измеряемым током, а отражатель излучения и четвертьволновая пластинка первоначально совмещены друг с другом, отличающийся тем, что участки магниточувствительного оптического волокна, примыкающие к отражателю излучения и к четвертьволновой пластинке, неподвижно соединены, например, отвержденным эпоксиакрилатом.

2. Волоконно-оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что соединенные участки магниточувствительного оптического волокна помещены в защитную трубку, которая неподвижно закреплена в герметичном разъемном корпусе, который содержит узлы крепления силовых элементов и герметизации кабелей, причем оптические волокна внутри корпуса размещены свободно.