Оптические датчики тока и напряжения реферат

Обновлено: 04.07.2024

Достоверное измерение токов и напряжений в энергетическом и управляющем оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надёжности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Специализированные датчики также применяются для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки.

Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются три: резистивный, на основе эффекта Холла и трансформатора тока.

Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Резистивные датчики — самые дешёвые, линейные и точные. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термоЭДС при больших токах, снижающие точность измерения. Низкоиндуктивные измерительные резисторы могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Для усиления или обработки напряжения, выделяющегося на токочувствительном резисторе, необходим дифференциальный усилитель или компаратор (рисунок 1), обладающий достаточным КОСС, особенно вблизи питающих напряжений.

В качестве прецизионного сопротивления часто используют шунт, пример исполнения которого представлен на рисунке 2.

Рисунок 1 — Включение измерительного резистора в цепь измеряемого тока , Рисунок 2 — Шунт , Шунты имеют класс точности, номинальное сопротивление, номинальные ток и напряжение. , Это недорогие точные элементы, позволяющие работать как с постоянным, так и с переменным током. , Датчики на основе трансформатора тока

Измерительный трансформамтор томка — трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

Датчики перемещения

. датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие. Рисунок 3 - Оптический датчик . с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика. В качестве основных можно считать следующие . пронизывать его объём, что усилит вихревые токи и индукцию вторичного магнитного поля. Подобный .

Схема подключения трансформатора тока представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Схема подключения трансформатора тока

Первичная обмотка трансформатора тока (1) включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную (3) включаются измерительные приборы. Цифрой (2) обозначен сердечник трансформатора.

Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке:

где — коэффициент трансформации.

Достоинством таких датчиков является то, что они обеспечивают гальваническую развязку с высоким пробивным напряжением. А также отсутствие необходимости в внешнем источнике питания.

Однако такие датчики не работают с постоянным током, и даже переменный ток должен быть номинальной частоты, выбираемой при конструировании датчика. Также постоянная составляющая тока вызывает насыщение сердечника, что вызывает снижение точности.

Датчики тока, основанные на эффекте Холла

Эффект Холла заключается в следующем: если пластинку, вдоль которой протекает ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, как показано на рисунке 4, то между параллельными току гранями возникнет разность потенциалов из-за отклонения движущихся электронов под действием силы Лоренца. Напряжение на выходе, зависит от магнитного потока, пронизывающего пластинку.

Рисунок 4 — Эффект Холла

датчик ток напряжение

На этом принципе разработаны два типа датчиков.

Датчик Холла разомкнутого типа (прямого измерения).

, Схематическое изображение принципа работы датчика Холла разомкнутого типа представлено на рисунке 5. , Рисунок 5 — Датчик Холла разомкнутого типа

Датчик Холла помещен в разомкнутый тороид, в котором наводится индукция от измеряемого тока. Напряжение на выходе пропорционально измеряемому току.

В таком датчике может наступить насыщение тороида. Датчик обеспечивает хорошую полосу пропускания, но уже чем у резистивных датчиков. Имеет паразитное напряжение смещение нуля.

Датчик Хола замкнутого типа (компенсационного типа)

Схематическое изображение принципа работы датчика Холла замкнутого типа представлено на рисунке 6. , Рисунок 6 — Датчик тока замкнутого типа

В таких датчиках добавлена обратная связь по току. Т.е. на тороид наматывают вторичную обмотку, по которой протекает ток, пропорциональный измеряемому, компенсируя наводимую индукцию. Т.о. тороид никогда не насыщается, а ток вторичной цепи полностью повторяет измеряемый ток, который при необходимости легко преобразуется в напряжение измерительным сопротивлением. Такой датчик имеет значительно большую широту пропускания и более высокую точность.

Датчики Холла могут работать как с переменным, так и с постоянным током, и обеспечивают гальваническую развязку. Недостатком является необходимость источника питания.

В таблице 1 представлены основные характеристики перечисленных методов измерения.

Таблица 1 — Сравнительные характеристики методов измерения тока

Для измерения напряжения использую измерительный трансформатор напряжения, конструкция которого ничем не отличается от понижающего трансформатора. Плюсы и минусы такие же что у трансформатора тока, описанного ранее.

Датчики влажности

. : измерительный прибор, предназначенный для измерения одной или нескольких величин влажности газов. 3 Гигрограф: регистрирующий измерительный прибор, предназначенный для непрерывной записи значений величин влажности газов. 4 Датчик влажности; датчик: первичный измерительный преобразователь величин влажности в другие .

Они высоко распространен в электроснабжении, потому что в этой области сеть имеет постоянную частоту и присутствует необходимость измерять высокие напряжения.

Также напряжение можно измерить датчиками напряжения, основанные на эффекте Холла.

Схематическое изображение измерения напряжения датчиком Холла замкнутого типа представлено на рисунке 7. , Рисунок 7 — Измерение напряжения датчиком Холла замкнутого типа

Это тот же датчик тока Холла, первичная катушка которого подключена к токоснижающему резистору параллельно цепи с измеряемым напряжением. Токоснижающий резистор может быть как встроенным так и внешним. Первичная катушка имеет большое количество витков, чтобы мерить эти малые токи входной цепи.

Подобные документы

Геометрия эксперимента по наблюдению эффекта Холла. Идеальный датчик Холла, свойства и технология изготовления. Внутренняя схема линейного датчика Холла и график его характеристики преобразования. Конструкции датчиков тока. Расходомер, принцип действия.

курсовая работа [998,0 K], добавлен 18.05.2012

Расчет сопротивления внешнего шунта для измерения магнитоэлектрическим амперметром силового тока. Определение тока в антенне передатчика при помощи трансформатора тока высокой частоты. Вольтметры для измерения напряжения с относительной погрешностью.

контрольная работа [160,4 K], добавлен 12.05.2013

Краткая характеристика устройства ввода тока и напряжения. Методика построения преобразователя тока в напряжение. Фильтр низких частот. Устройство унифицированного сигнала. Расчет устройства ввода тока, выполненного на промежуточном трансформаторе тока.

курсовая работа [144,0 K], добавлен 22.08.2011

Параметры трансформатора тока (ТТ).

Определение токовой погрешности. Схемы включения трансформатора тока, однофазного и трехфазного трансформатора напряжения. Первичная и вторичная обмотки ТТ. Определение номинального первичного и вторичного тока.

практическая работа [710,9 K], добавлен 12.01.2010

Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории. Эффект Холла в ферромагнетиках и полупроводниках. Датчик ЭДС Холла. Угол Холла. Постоянная Холла. Измерение эффекта Холла. Эффект Холла при примесной и собственной проводимости.

курсовая работа [404,9 K], добавлен 06.02.2007

Исследование неразветвленной и разветвленной электрических цепей постоянного тока. Расчет нелинейных цепей постоянного тока. Исследование работы линии электропередачи постоянного тока. Цепь переменного тока с последовательным соединением сопротивлений.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения (2)

. трансформатора тока под нагрузкой. Высокое напряжение опасно для персонала и, кроме того, может привести к повреждению изоляции трансформатора тока. . трансформаторы тока с классом точности с буквой S имеют нижний предел измерения первичного тока с допускаемой погрешностью 1 % от номинальной величины первичного тока. Трансформаторы тока . работы трансформатора тока. Протекающий по первичной обмотке ток .

методичка [874,1 K], добавлен 22.12.2009

Прямые и косвенные измерения напряжения и силы тока. Применение закона Ома. Зависимость результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора. Определение абсолютной погрешности косвенного измерения величины постоянного тока.

лабораторная работа [191,6 K], добавлен 25.01.2015

Примеры похожих учебных работ

Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока

. и электронные (см. Приложение). Основной целью курсовой работы является изучение метрологического обеспечения измерений напряжения . обращения продукции и повышение конкурентоспособности продукции, работ или услуг. Сертификация — форма осуществляемого .

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

При этом во вторичную цепь трансформатора тока включаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счётчиков и т.д. Часто один и тот же трансформатор тока может быть использован как для целей измерения, так .

Сварочные трансформаторы

. однофазных сварочных трансформаторов для ручной сварки К однофазным сварочным трансформаторам относится большая группа трансформаторов серии . жесткую внешнюю характеристику ///. Рис.1. Сварочный трансформатор с развитым магнитным рассеиванием и .

Датчики перемещения

. последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика. В качестве основных можно считать следующие области применения инклинометров: использование в системах .

Методы и средства измерения электрических величин

. энергии. 1.3 Измерение мощности в цепях постоянного тока Активная мощность, которая выделяется на участке цепи постоянного тока, может быть оценена в результате измерения количества тепла, выделяемого этим участком цепи. Прямые колориметрические .

Рассмотрен класс магнитооптических и электрооптических датчиков тока и напряжения, обеспечивающих естественную гальваническую развязку высоковольтной и измерительной части при снижении массо-габаритных показателей, повышении безопасности их эксплуатации и снижении затрат при монтаже. Рассмотрены перспективы использования этих датчиков в металлургической и химической промышленности, а также в судостроении.

Неослабевающий интерес к волоконнооптическим датчикам тока, работа которых основана на эффекте Фарадея,
и датчиков напряжения, основанных на использовании эффекта Поккельса [1], связан
с высокими потенциальными возможностями
этих устройств. К ним относятся:

Широкий динамический диапазон измерений (токов до сотен кА, напряжения
до сотен кВ).
Высокая линейность.
Широкий частотный диапазон, позволяющий анализировать гармоники напряжения и тока непосредственно в высоковольтной цепи.
Отсутствие влияния нагрузки вторичных
цепей и потерь в них.
Высокая устойчивость оптоволоконных
информационных каналов к внешним
электромагнитным помехам.
Меньшие массо-габаритные показатели.
Первичный оптический преобразователь
может быть удален от блока электроники
на 450–900 м и более.

Применение таких трансформаторов особенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сетях, что объясняется тем, что наиболее сложные вопросы
обеспечения изоляции, особенно для высоковольтных приложений, решаются автоматически за счет физической природы преобразования, так как элементы оптики оптического
волокна изначально являются диэлектриками.
Соответственно, легко обеспечивается гальваническая развязка измерительной и высоковольтной цепи, повышается безопасность при
эксплуатации данных приборов.

Работа оптического датчика тока

Работа оптического датчика тока основана
на эффекте Фарадея, заключающемся в изменении поляризации светового потока под
воздействием магнитного поля. Конкретная
реализация датчиков, использующих этот
эффект, может отличаться и патентуется
фирмами-производителями.

Рис. 1. Структурная схема оптоволоконного датчика
тока с электронно-оптическим блоком

Упрощенная структура электроннооптической схемы датчика тока (рис. 1) содержит источник оптического сигнала. Этот
сигнал с помощью разветвителя преобразуется в два право-и левополяризованных сигнала с противоположными направлениями
вращения, которые поступают в оптическую
петлю, выполненную из N витков оптоволокна. Магнитное поле, создаваемое током I,
протекающим по проводу, в соответствии
с эффектом Фарадея замедляет один сигнал и ускоряет другой. Оба сигнала доходят
до следующего кругового поляризатора, который преобразует их в линейно поляризованные световые потоки с плоскостями поляризации, сдвинутыми на угол:

где V — постоянная Верде.

Постоянная Верде — величина, характеризующая магнитное вращение плоскости
поляризации в веществе. Ее значение зависит
от свойств вещества, длины волны и монохроматичности излучения.

Пришедшие световые потоки преобразуются фотоприемником в два напряжения переменного тока с частотой ω = 2πС/λ (С — скорость света в оптоволокне, λ — длина волны
оптического излучения). Полученные электрические сигналы поступают на ввод аналогоцифрового преобразователя электронного
блока, преобразующего угол Δφ в цифру
с дальнейшей обработкой в DSP-процессоре.
Цифровой блок оснащен высокоуровневыми
и низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, поддерживающим стандарт IEC 61850, что
открыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерения.

Работа оптического датчика
напряжения

Работа оптического датчика напряжения
основана на эффекте Поккельса, заключающемся в возникновении двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля (рис. 2), что наблюдается
у кристаллических пьезоэлектриков:

где E — напряженность электрического поля;
L — толщина пластины; λ — длина волны;
K — электро-оптические коэффициенты.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема оптического датчика напряжения с электронно-оптическим блоком

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

Разработкой оптических датчиков напряжения и тока занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation,
шведскую фирму PowerSense, американские
фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc.,
Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI).

Датчики компании NxtPhase T&D Corporation
[4] достаточно хорошо известны отечественным специалистам в области автоматизации систем контроля и защиты электрических сетей высокого напряжения. Вместе с тем
следует сказать, что огромные возможности
открывают оптические датчики для средневольтовых (MV) и низковольтных (LV) цепей.
Малые габариты и вес этих датчиков позволяют разместить измерительный комплекс
на их основе на опоре линии электропередачи
или подвесить к проводам. В ряде случаев эти
датчики выгодно использовать и в сетях низкого напряжения, получая выигрыш по надежности и массо-габаритным показателям.

Некоторые обобщенные сравнительные
характеристики оптических датчиков различных компаний приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1. Сравнительные характеристики оптоволоконных датчиков тока различных компаний

Таблица 2. Сравнительные характеристики оптических датчиков напряжения различных компаний

Естественно, что в таблицах даются некоторые обобщенные параметры продукции, выпускаемой той или иной компанией, без указания особенностей конкретных марок изделий.

Рассмотрим несколько подробнее некоторые характерные особенности оптических
датчиков каждой компании и, соответственно, области их применения.

Компания NxtPhase T&D Corporation выпускает:

высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока NXCT для измерения тока до 4 кА с классом точности
0,5 в сетях 60–750 кВ;
высоковольтные измерительные оптические преобразователи напряжения NXVT
для измерения напряжения в диапазоне 138–500 кВ с классом точности 0,25;
высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока и напряжения,
совмещенные NXVCT для измерения тока
в диапазоне до 4 кА и напряжения до 500 кВ
с классом точности 0,25;
измерительные оптические преобразователи, трансформируемые NXCT-F3, предназначенные для измерения токов до 100 кА
в цепях переменного тока и до 600 кА в цепях постоянного тока, что дает возможность их использования в металлургической и химической промышленности.

Компания FieldMetrics, Inc. [5] основана
в 2001 г. и специализируется на разработке
и производстве трех линеек оптоволоконных
датчиков для средневольтовых (11–36 кВ)
энергетических сетей переменного тока:
MetPod, Fiber MetPod, MetPod Lite класса 0,2.
В линейку MetPod входят комбинированные датчики тока и напряжения (рис. 3а),
которые могут крепиться непосредственно
на опоре. Электронный блок с автономным
блоком питания выполнен в единой конструкции с датчиками. Связь с пунктом сбора и обработки информации осуществляется
по радиоканалу мощностью до 1 Вт.

Рис. 3. а) Комбинированный модуль MetPod; б) датчик тока MetPod Lite

Fiber MetPod предусматривает интегрированное исполнение датчика тока, датчика
напряжения и электронного преобразователя оптических сигналов в цифровой код,
размещаемых в легком прочном корпусе. Непосредственно на корпусе монтируется
радиопередатчик, обеспечивающий беспроводную связь с диспетчерским пунктом.

MetPod Lite — датчик тока класса 0,3, облегченной конструкции, крепится на изолированной штанге, подключаемой между
активным проводом и нейтралью (рис. 3б).
Датчики имеют более низкую стоимость
по сравнению с MetPod.

Помимо оборудования для контроля параметров средневольтовых сетей, фирма
активно разрабатывает и внедряет датчики
класса 0,3 для высоковольтных приложений.
В основе этих датчиков лежит модульный
принцип построения, состоящий в использовании опорных модулей на 15 кВ, из которых
можно набирать датчики для сетей до 750 кВ.

Компания PowerSense A/S [6], основанная
в 2006 году, предложила потребителям линейку энергоизмерительного оборудования
Discos, в которую вошли оптоволоконные
датчики тока (рис. 4а), напряжения (рис. 4б)
и комбинированные датчики тока/напряжения (рис. 4в), предназначенные для работы
в сетях до 36 кВ. Диапазон измерения токов — от 5 А до 20 кА с погрешностью 2%,
погрешность измерения напряжения — 1%.
Сами датчики крепятся на штанге и оптоволокном соединяются с оптическим модулем,
размещаемым на опоре.

Рис. 4. Датчики фирмы PowerSense: а) тока; б) напряжения; в) комбинированные (тока/напряжения)

Компания Optisense Network, основанная
в 2001 г., специализируется на производстве
высокоточных компактных датчиков тока
и напряжения, используемых в сетях с напряжением до 35 кВ.

Компания Airak, Inc. [7] выпускает оптоволоконные датчики, отличающиеся наименьшими массо-габаритными показателями.
Оптоволоконные датчики напряжения этой
фирмы вместе с пятиметровыми выводами
весят всего 170 г (рис. 5а). Датчик напряжения
размещен на специальной платформе, расположенной на опоре. Стандартный диапазон
измерения напряжения — 5 кВ (со сменой
ячейки Поккельса диапазон может быть расширен до 13,8 кВ). Максимальная приведенная
погрешность составляет 5%, типовая — 1%.

Рис. 5. а) оптоволоконный датчик напряжения
фирмы Airak, Inc.;
б) токовый датчик для воздушных линий

Судя по приведенным данным, недостатками датчика являются низкая точность измерения и малый диапазон измеряемых напряжений. Существенным недостатком для его
применения в российских условиях является
также температурный диапазон — 0…50 °С.

Лучшими показателями обладают датчики
тока этой фирмы. Токовый датчик для воздушных линий (рис. 5б) позволяет измерять
токи в диапазоне от 3 А до 1 кА (возможны
версии до 15 кА) с погрешностью, не превышающей 1%. Он работает в диапазоне температур –40…+85 °С. Вес этих датчиков не превышает 570 г, что позволяет легко смонтировать их прямо на проводах, не прибегая
к разъединению линии (рис. 6).

Рис. 6. Размещение датчиков фирмы Airak, Inc.
на воздушной линии электропередачи

Представляет интерес датчик, предназначенный для измерения тока и напряженности
магнитного поля при применении в стационарном оборудовании (рис. 7). Датчик имеет
вес 28 г и устанавливается на шину 4″×¾″.
Токи измеряются в диапазоне от 3 А до 3 кА
с погрешностью не более 1%.

Рис. 7. Датчик тока и напряженности магнитного поля
для применения в стационарном оборудовании

Компания ABB, Inc. [9] известна, прежде
всего, по токовым датчикам, используемым
в цепях постоянного тока, основанным на эффекте Холла [10]. Преобразователи такого
типа хотя и надежны, но очень сложны, а их
вес может достигать 2000 кг. При их установке также необходимы сложные процедуры
настройки для исключения влияния асимметричного поля и перекрестных наводок
с расположенных рядом шин. Для решения
этих и других проблем компания ABB разработала новый оптоволоконный датчик тока
(Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рис. 8)
[11]. По сравнению с датчиками Холла новые
датчики имеют следующие преимущества:

Продолжительность установки и ввода в эксплуатацию измеряется часами,
а не днями.
Резко снижается сложность системы.
Устройства не подвержены воздействию магнитных полей сложных конфигураций и перекрестным наводкам от соседних шин.
Повышается точность (до 10-кратного
уменьшения погрешности).
Широкая полоса пропускания обеспечивает быструю реакцию на пульсации и нестационарные токи.
Датчики обеспечивают измерение постоянных токов как в одном, так и в двух направлениях.

Рис. 8. Оптоволоконный датчик тока FOCS компании ABB, Inc.

Датчик позволяет измерять токи
от 0 до ±500 кА с погрешностью 0,1% в диапазоне частот от 0 до 4 кГц. Вес одной секции — 5 кг.

Применение таких датчиков в металлургической и химической промышленности может существенно повысить эффективность
производства и дать значительный экономический эффект. В производстве алюминия,
меди, марганца, цинка, стали и хлора требуются огромные объемы электроэнергии.
Электролизные ванны для производства алюминия обычно питаются постоянным напряжением 1000 В и потребляют ток до нескольких сот килоампер. Необходимо учесть, что
ошибка на 0,1% в измерении тока 500 кА приводит к ошибке учета мощности на 0,5 МВт.

Компания ABB, Inc. считается одним
из лидеров в разработке и оптоволоконных
датчиков для высоковольтных электроэнергетических приложений. Магнитооптические
датчики тока (Magneto-Optic Current Transformer,
MOCT) этой компании (рис. 7) могут
использоваться в сетях с напряжением от 72,5
до 800 кВ для измерения токов до 3,5 кА.

Рис. 9. Эквивалентная схема измерения напряжения
с помощью датчика тока

Оптоволоконные датчики напряжения
обычно имеют более сложную конструкцию.
В связи с этим компания ABB для измерения
напряжения предложила проводить измерение тока через нагрузку с известным значением сопротивления, подключенную последовательно с датчиком MOCT (рис. 9) [12].
Физически указанная нагрузка реализована
с помощью электрооптического трансформатора напряжения EOVT (рис. 10) [13].

Рис. 10. Датчик напряжения компании ABB, Inc. на базе MOCT и EOVT

Как следует из предложенного обзора, класс
оптических датчиков тока и напряжения может занять существенное место в системах мониторинга, контроля и управления в энергетике, металлургической, химической, судостроительной и оборонной промышленности.

Что влечет за собой развитие сетей Smart Grid и внедрение идеологии цифровых подстанций? Неизбежность замены традиционных
аналоговых СИ (трансформаторов тока и напряжения, систем учета, защиты и автоматики) на цифровые СИ.
Основные требования к цифровым СИ, включая датчики, сенсоры тока, напряжения:
 быстродействие, широкий частотный диапазон до 6 кГц;
 большая перегрузочная способность, динамический диапазон;
 отсутствие влияния коротких замыканий;
 высокая электрическая изоляция при компактных размерах;
 малый вес, удобство монтажа;
 пожаробезопасность, экологичность.
Имеются альтернативные варианты традиционным трансформаторам (в основном электромагнитным). Это датчики тока на основе
катушек Роговского, магнитотранзисторов и датчики напряжения на основе емкостных и резистивных делителей. Но наиболее перспективными, с нашей точки зрения, являются датчики, основанные на оптических технологиях.

Проблемы внедрения оптических трансформаторов, в особенности на кл. напряжения 35 кВ и ниже

Высокая себестоимость производства оптических ИТН, сконструированных на основе эффекта Покельса, по оценке специалистов связана с техническими и технологическими проблемами и ограничивает их широкое внедрение.

Но оптические ИТН на классе напряжения 110 кВ и выше (см. рис.) выпускаются серийно несмотря на высокую стоимость. Это объясняется тем, что высокая стоимость самого оптического трансформатора компенсируется меньшими затратами на монтаж по сравнению с традиционными трансформаторами. Но этот выигрыш по общим затратам достигается лишь на уровне напряжения выше 110 кВ.

И возможно по этой причине оптические ИТН на кл. напряжения 35 кВ и ниже отсутствуют на рынке электроэнергетики для широкого применения.

Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь напряжения

1) Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

2) Электрооптический измерительный преобразователь переменного напряжения, основанный на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

На рисунке приведена упрощенная структурная схема универсального измерительного преобразователя, который в зависимости от используемого чувствительного элемента может использоваться для измерения тока или напряжения.

Перспективные СИ. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5

Назначение

Преобразователь, состоящий из чувствительного элемента (ячейки Фарадея) и оптоэлектронного блока, предназначен для преобразования первичных мгновенных значений переменных и импульсных токов в пропорциональные значения низкого вторичного тока или цифровой сигнал. Он основан на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

Принцип действия

Эффект Фарадея проявляется в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света.

Особенности конструкции:

1. В разработанном преобразователе чувствительным элементом являются четыре призмы, расположенные последовательно
по ходу распространения света, выполненные из стандартного диамагнитного стекла и образующие замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током.
2. Поляризаторы интегрированы в призмы.

Преимущества исполнения преобразователя:

1. Низкий уровень шумов
2. Простота оптоэлектронного блока

Технические характеристики опытного образца – прототипа

Предварительные результаты испытаний

Испытания проводились в лаборатории при н. у.

Структурная схема преобразователя тока

Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100:

Назначение

Преобразователь предназначен для масштабного преобразования мгновенных значений высоких переменных и импульсных напряжений в пропорциональные значения низкого напряжения. Он основан на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

Принцип действия

Эффект электрогирации проявляется в появлении оптической активности центрально симметричных кристаллов под действием напряженности электрического поля измеряемого напряжения.

Электрооптический эффект электрогирации 50 лет спустя

История открытий в оптике

1845 год - Продольный магнитооптический эффект Фарадея

1893 год - Линейный электрооптический эффект Поккельса

1964 год - Открыт эффект электрогирации, одновременно исследованный японским ученым К. Аизу и русским ученым И.С. Желудевым. В 1969 году украинским ученым О.Г. Влохом были проведены экспериментальные работы.

Эффект электрогирации

Эффект электрогирации заключается в возникновении или изменении оптической активности в кристаллах, находящихся в электрическом поле, которая вызывает поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его распространении через кристалл на угол, пропорциональный напряженности электрического поля и длине пути света в кристалле. Коэффициент пропорциональности равен постоянной электрогирации кристалла.

Конструкция

 ячейка электрогирации, входные электроды которой подключены к измеряемому напряжению
 электронный блок, формирующий нормированный выходной сигнал

Особенности конструкции: в преобразователе измеряемое напряжение прикладывается непосредственно к торцам центрально симметричного кристалла.

Преимущества конструкции:
1) возможность измерения межфазного напряжения;
2) отсутствие пьезоэффекта.

Технические характеристики опытного образца – прототипа

Структурная схема преобразователя напряжения

Предварительные результаты испытаний

Испытания проводились в лаборатории при н. у. 30.04.2014

Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100

Исполнение ИТН и ИТТ для работы в составе ЦПС

Метрологическое обеспечение электронных (цифровых) трансформаторов тока и напряжения

2. Высоковольтный измерительный комплект поверки ИТН

3. Комплект поверки ИТТ

Переход от индуктивных традиционных к оптическим измерительным трансформаторам

Взгляд на перемены в технологии производства

Традиционные трансформаторы

Основное сырье: металлическая руда, уголь + Большие производственные площади + Вредные технологии с использованием компаунда на основе эпоксидных смол + Традиционная технология производства с начала прошлого века = Индуктивные измерительные трансформаторы

Оптические трансформаторы

Песок – основа производства опт. стекла и выращивания кристаллов + Электроника + Наукоемкие высокие технологии обработки = Оптические трансформаторы

Аналогии трансформирования стоимости

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Институт - Неразрушающего контроля

Направление - Электроника и наноэлектроника

Кафедра - Промышленной и медицинской электроники

На тему: ОПТОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ ТОКА Выполнил студент гр.1A31 - П.В. Дмитренко

Проверил - А. А. АристовТомск - 2015

Введение Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя - машинно-энергетической и информационно компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Волоконно-оптический датчик - это датчик, который в качестве основного элемента использует оптическое волокно. Волоконно-оптические датчики можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента.

История Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики - очень молодая область техники.

Современная волоконная оптика стала развиваться в начале 70-х годов, когда практически одновременно в нескольких странах для изготовления оптических волокон (ОВ) была использована технология осаждения из га- зовой фазы (MCVD технология). В это же время начались и первые работы по созданию высококачественных ОВ в СССР для телекоммуникационных применений, главным образом в Академии Наук. Данная технология позволила резко понизить уровень потерь света в кварцевых волокнах сначала до 10 дб/км, а затем и менее 1дб/км. MCVD технология была выбрана так успешно, что и до настоящего времени является одной из основных технологий как для промышленного производства, так и для разработки новых типов ОВ. Кроме телекоммуникационных применений становление и развитие волоконно-оптических технологий от- крыло широкие возможности их применения в приборостроении и измерительной технике. Практически одно- временно с созданием волокон с малыми потерями появились работы по созданию волоконно-оптических датчи- ков (ВОД)

Читайте также: