Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока

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

Сенсорная головка содержит корпус, кварцевую оболочку со сквозным замкнутым пазом и свободно уложенными витками магниточувствительных оптических волокон и волокном датчика температуры, в корпусе упруго закреплены модуль соединительного оптического кабеля и кварцевая оболочка, в корпусе жестко закреплен оптический кабель и выполнен карман для размещения кабеля и укладки оптических волокон с избыточной длиной.

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, например, [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. Электрический ток в проводнике индуцирует магнитное поле, которое посредством эффекта Фарадея вносит фазовый сдвиг между световыми волнами с ортогональными циркулярными поляризациями, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг 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 фазовый сдвиг между световыми волнами на выходе чувствительного контура определяется током в проводнике и не зависит от любых внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Величина фазового сдвига определяется

,

где V - постоянная Верде для материала оптического волокна, Н - напряженность магнитного поля, dl - элемент замкнутого контура l, I - ток в проводнике. Интеграл берется по замкнутому пути контура l вокруг проводника с током. На практике это означает целое число витков магниточувствительного волокна замкнутого измерительного контура произвольной формы. Замкнутость контура обеспечивают совмещением в пространстве отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, которые ограничивают выбор длины магниточувствительного волокна. Очевидно, что при измерении малых токов для получения значимой величины фазового сдвига следует увеличивать число витков измерительного контура N (длину магниточувствительного волокна).

Детектирование и цифровая обработка сигнала позволяют измерять электрические 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, защищенного от внешних воздействий и уложенного в корпус. 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. Сенсорные головки используют как для точного измерения рабочих токов, так и для грубого измерения токов короткого замыкания и тока молнии. В электроэнергетике для измерения электрических токов одной фазы наиболее часто используют 1 измерительный контур и 2 защитных контура, что требует либо 3-х сенсорных головок, либо размещения 3-х чувствительных элементов в одной комбинированной сенсорной головке, что затрудняет процесс укладки волокон, особенно при большом числе витков. Кроме того, существует зависимость изменения постоянной Верде V магниточувствительного волокна от его температуры (приблизительно 10^-4/°К) [А.Н.Rose, S.М.Etzel, С.М.Wang. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensors, J. Lightwave Technol., 15, pp. 803-807, 1997], что дает погрешность в несколько десятых процента при измерении электрического тока в диапазоне рабочих температур и требует внесения в конструкцию сенсорной головки элементов измерения температуры магниточувствительного волокна с целью корректировки измерений.

Отдельной проблемой является подвижность оптических волокон относительно оптического модуля соединительного кабеля при изменении температуры эксплуатации сенсорной головки. Экспериментально установлено, что перемещения оптических волокон на выходе из оптического модуля кабеля могут достигать ±15 мм и более. В стесненных условиях размещения оптических волокон внутри сенсорной головки это приводит, в зависимости от направления перемещения волокон, либо к их растяжению, либо к изгибу. Магниточувствительное волокно в условиях эксплуатации подвергается воздействию климатических и механических внешних воздействующих факторов таких, как изменение температуры окружающей среды, механические воздействия и др. Однако любые механические или термические воздействия на магниточувствительное волокно вызывают наведенное линейное двойное лучепреломление, что крайне негативно влияет на точность измерения и требует принятия специальных мер по компенсации перемещений волокон и снижения уровня таких воздействий.

Для уменьшения влияния внешних воздействующих факторов используют, например, сенсорную головку с чувствительным элементом [Волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока стационарного исполнения. Патент РФ RU 108633 U1]. Чувствительный элемент выполнен в виде охватывающих проводник с измеряемым током витков оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, которые размещены в диэлектрике с высокой теплопропроводностью, покрыто теплоизолятором и оснащен электрически безопасным устройством измерения температуры волокна. Указанное техническое решение способно решать задачу выравнивания температурного поля и контроля температуры магниточувствительного волокна в одной или двух точках при больших диаметрах намотки витков.

Недостатком известного технического решения является сложность его использования для малогабаритных многовитковых контуров из-за ограничений допускаемых радиусов изгибов оптических кабелей и необходимости намотки витков в защитных оболочках увеличенного диаметра.

Для уменьшения влияния внешних воздействующих факторов также используют, например, сенсорную головку [Температурно-стабилизированная сенсорная катушка и датчик тока. Патент РФ RU 2358268 С2], которое является наиболее близким техническим решением. Сенсорная головка (чувствительная катушка) содержит освобожденное от защитного покрытия магниточувствительное оптическое волокно, свободно уложенное в гибкий капилляр из кварцевого стекла, частично заполненный антифрикционным средством и закупоренный по концам, капилляр окружен оболочкой и размещен внутри защитного полого кабеля, причем волокно в смонтированном состоянии имеет большой радиус кривизны. Выполнение капилляра из кварцевого стекла, имеющего температурный коэффициент линейного расширения _LK близкий к коэффициенту линейного расширения оптического волокна _LOB, позволяет практически исключить влияние температурных деформаций капилляра на параметры магниточувствительного волокна.

Недостатком известного технического решения является значительный радиус кривизны чувствительного волокна (кабеля), обусловленный в т.ч. ограниченной изгибной прочностью кварцевого капилляра, что затрудняет размещение сенсорной головки в стесненных условиях. Кроме того, при измерении малых токов требуется значительная длина (большое число витков) магниточувствительного волокна, что вызывает трудности при его прокладке внутри капилляра и увеличение затрат на изготовление сенсорной головки. Использование данного технического решения для создания неразмыкаемой волоконно-оптической измерительной петли также весьма затруднительно даже при использовании вместо капилляра малого диаметра незамкнутой кварцевой трубки большего диаметра с последующей герметизацией ее разрыва. Это связано с тем, что укладка большого числа витков (100 и более) в кварцевую трубку является весьма трудоемкой операцией. Еще одним недостатком известного технического решения является некомпенсированное влияние зависимости постоянной Верде магниточувствительного волокна от его температуры на точность измерения электрического тока.

Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение габаритов сенсорной головки и упрощение процесса укладки оптических волокон. Сопутствующим техническим результатом является повышение точности измерения электрического тока или величины магнитного поля за счет компенсации температурных деформаций и свободной укладки оптических волокон внутри сенсорной головки.

Указанный технический результат достигается тем, что сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока содержит корпус герметично закрытый крышкой, кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса, чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением и волокно волоконно-оптического датчика температуры, витки которых свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током, каждый чувствительный элемент содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом, в корпусе выполнены дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, и волокном датчика температуры, карман для размещения кабеля и указанных волокон, которые на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной, оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси, кварцевая оболочка выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом на ее наружной поверхности наибольшего радиуса.

В варианте исполнения сенсорной головки кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах.

Существенными признаками заявленной полезной модели, являются:

- Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока содержит корпус герметично закрытый крышкой. Признак обеспечивает устранение влияния механических и части климатических факторов (проникновение влаги, пыли и пр.) на оптический кабель и оптические волокна, расположенные внутри корпуса.

- (Содержит) кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса. Признак обеспечивает защиту оптических волокон и уменьшается влияние на них температурных и связанных с ними механических воздействий, влияющих на точность измерения.

- (Содержит) чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением и волокно волоконно-оптического датчика температуры. Признак обеспечивает возможность измерения электрического тока или магнитного поля на основе эффекта Фарадея, а также фактическую температуру оптических волокон внутри кварцевой оболочки в реальном масштабе времени, что необходимо для коррекции влияния температуры волокон на точность измерения электрического тока (магнитного поля).

- Витки (оптических волокон) свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током. Признак обеспечивает за счет зазоров между оптическими волокнами и стенками кварцевой оболочки возможность свободного (без натяга и сдавливаний) размещения волокон при температурных деформациях волокон и кварцевой оболочки. При этом уменьшается влияние механических воздействий на волокно, влияющих на точность измерения. Проводник с током образует магнитное поле, которое воздействует на чувствительные элементы.

- Каждый чувствительный элемент содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом. Признак обеспечивает независимость измерения электрического тока в проводнике от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Кроме того, вследствие эффекта Фарадея индуцируется фазовый сдвиг между световыми волнами, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг проводника, обеспечивается сохранение и передача фазового сдвига, обусловленного измеряемым током, по оптическому волокну соединительного кабеля до оптико-электронного блока обработки выходного оптического сигнала.

- В корпусе выполнен(ы) дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, излучения и волокном датчика температуры. Признак обеспечивает стабилизацию радиуса изгиба модуля кабеля и подвод модуля к участку свободной укладки волокон с избыточной длиной в кармане корпуса.

- (В корпусе выполнен) карман для размещения кабеля и указанных волокон. Признак обеспечивает возможность размещения герметичного ввода кабеля в корпус, подвода кабеля к пазу корпуса, а также образует необходимое пространство для зоны компенсации изменения длины оптических волокон выходящих из модуля.

- (Волокна) на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной. Признак обеспечивает однородность среды размещения оптических волокон, как в кабеле, так и в модуле кабеля, тем самым снижая вероятность механических воздействий на волокна. Задание избыточных длин оптических волокон, обеспечивает устранение напряжений растяжения в волокнах, положение которых относительно модуля может изменяться по длине при изменении температуры. При этом изгибные напряжения в волокнах ограничены допускаемыми радиусами изгиба волокон.

- Оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси. Признак обеспечивает стабильность положения оптического модуля кабеля при возможных перемещениях свободного конца кабеля при монтажных работах и при эксплуатации.

- Кварцевая оболочка, выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенном на ее наружной поверхности наибольшего радиуса. Признак обеспечивает упрощение процесса намотки витков оптических волокон одного или нескольких чувствительных элементов и волоконно-оптического датчика температуры, и размещение их в одной кварцевой оболочке (трубке), что уменьшает габариты устройства. При этом размер отверстия в кварцевой трубке выбирают из условия свободного размещения витков всех оптических волокон.

- Кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах. Признак обеспечивает снижение передачи температурных и др. деформаций корпуса на деформации кварцевой оболочки и модуля оптического кабеля за счет упругого подвеса каждого элемента не менее чем в 3-х точках, определяющих положение элемента в пространстве. Точечное закрепление в отличие от сплошного закрепления в меньшей степени передает усилия тепловой деформации корпуса на кварцевую оболочку и оптический модуль. Упругое закрепление выполняют, например, заливкой силиконовым герметиком.

Существенными отличительными признаками, влияющими на получение технического результата являются:

- В корпусе выполнен(ы) дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, и волокном датчика температуры.

- (В корпусе выполнен) карман для размещения кабеля и указанных волокон.

- (Волокна) на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной.

- Оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси.

- Кварцевая оболочка, выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенном на ее наружной поверхности наибольшего радиуса.

- Кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид сенсорной головки со снятой крышкой (на фиг. не показана). Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - корпус, 2 - оптический кабель, 3 - модуль оптического кабеля, 4 - силовые элементы оптического кабеля, 5 - оптические волокна, 6 и 7 - элементы крепления, предотвращающие возможность перемещения оптического кабеля вдоль и вокруг своей оси, 8 - паз, 9 - кварцевая оболочка, 10 - дополнительный паз, 11 - карман, 12 - места упругих креплений модуля оптического кабеля и кварцевой оболочки к корпусу 1, 13 - резьбовые отверстия крепления крышки и корпусу 1. Буквой на фиг.1 обозначена: К - зона компенсации (заштрихована) изменения длины оптических волокон.

Сенсорная головка содержит: 1 - корпус, 2 - оптический кабель, 3 - модуль оптического кабеля, 4 - силовые элементы оптического кабеля, 5 - оптические волокна, 6 и 7 - элементы крепления, предотвращающие возможность перемещения оптического кабеля вдоль и вокруг своей оси, 8 - паз, 9 - кварцевая оболочка, 10 - дополнительный паз, 11 - карман, 12 - места упругих креплений модуля оптического кабеля и кварцевой оболочки к корпусу 1, 13 - резьбовые отверстия крепления крышки и корпусу 1, 14 - проводник с измеряемым током.

В корпусе 1 выполнено центральное отверстие для размещения проводника с током 14. В корпусе 1 также выполнены радиусные пазы 8 и 10, а также карман 11. В кармане 11 корпуса 1 расположен оптический кабель 2. На входе в наружный радиусный паз 10 оптический кабель 2 жестко закреплен элементами крепления 6 и 7, предотвращающими возможность его перемещения вдоль и вокруг своей оси. В качестве элемента 6 используют, например, клеммовый зажим оптического кабеля, а в качестве элемента 7 - зажимную втулку силовых элементов 4 оптического кабеля, установленную в отверстии корпуса. Оптический модуль 3 кабеля 2 размещен в радиусном пазе 10 и упруго закреплен не менее чем в трех местах 12, например, силиконовым герметиком. Во внутреннем радиусном пазе 8 установлена кварцевая оболочка 9, выполненная в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенном на ее максимальном диаметре. Кварцевая оболочка 9 также упруго закреплена в трех местах 12. Корпус 1 герметично закрыт крышкой (на фиг. не показана). Герметичность обеспечивается, например, упругой прокладкой и/или герметиком. Герметичность места выхода оптического кабеля 2 из корпуса 1 обеспечивают конструкцией сопрягаемых деталей. Волокна 5 чувствительных элементов и волоконно-оптического датчика температуры размещены в кварцевой оболочке 9. Оболочка 9 выполнена в виде замкнутой кварцевой трубы. На ее наружной поверхности наибольшего радиуса выполнен сквозной замкнутый паз. Ширина паза больше толщины любого из волокон 5. Во внутреннем объеме кварцевой трубы свободно (без натяжения) уложены витки волокон 5, в т.ч. витки магниточувствительных оптических волокон с отражателями излучения и четвертьволновыми пластинками , заходы оптических волокон, сохраняющих поляризацию излучения, а также волокно волоконно-оптического датчика температуры. Наличие кольцевого паза позволяет использовать стандартное намоточное оборудование для укладки волокон 5 внутри кварцевой оболочки. Свободную укладку волокон обеспечивают изменением радиуса волокон после их намотки. Паз кварцевой оболочки 9 в местах ее закрепления 12 закрыт герметизирующей лентой, которая перекрывает длину места закрепления. При работе устройства возможные перемещения оптических волокон относительно торца оптического модуля компенсируются распрямлением или дополнительным изгибом оптических волокон в зоне К компенсации изменения длины оптических волокон.

Примером выполнения полезной модели является сенсорная головка, содержащая 3 чувствительных элемента из магниточувствительного оптического SPUN волокна с различными числами витков и волоконно-оптический датчик температуры. Отражатели излучения получены скалыванием волокон и напылением металла. Четвертьволновые пластинки выполнены из оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Использовался источник оптического излучения с рабочей длиной волны =1550 нм. Кварцевая оболочка имеет кольцевой паз шириной 1 мм, края паза оплавлены. Все волокна размещены во внутренней части кварцевой оболочки свободно, без натяжения. Проводились измерения электрического тока в диапазоне до 5000 А. В процессе измерения сенсорная головка помещалась в термокамеру где изменялась и контролировалась температура чувствительных элементов в диапазоне от минус 40°С до 60°С. Данные о фактической температуре чувствительных элементов использовались для корректировки показаний измеренного сигнала. При этом была обеспечена простота намотки волокон, габариты измерительной петли сенсорной головки не превышали 220 мм и ограничивались габаритными размерами поперечного сечения проводника, а погрешность измерений не превышала заявленных величин.

1. Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока, содержащая корпус, герметично закрытый крышкой, кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса, чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением и волокна волоконно-оптического датчика температуры, витки которых свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током, каждый чувствительный элемент содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку, далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, и волокном датчика температуры, карман для размещения кабеля и указанных волокон, которые на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной, оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси, кварцевая оболочка выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенным на ее наружной поверхности наибольшего радиуса.

2. Сенсорная головка по п.1, отличающаяся тем, что кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах.