Стартовая >> Оборудование >> ТТ и ТН >> Оптико-электронный трансформатор напряжения

Оптико-электронный трансформатор напряжения

Оптико-электронный трансформатор напряжения  предназначен в первую очередь для измерения фазного напряжения в высоковольтном устройстве, с целью питания аппаратуры релейной защиты и измерительных приборов.
В случае необходимости проведения высокочастотных измерений при проведении исследований, делители напряжения применяемые для этих целей, не удовлетворяют предъявляемым требованиям точности, достоверности и надежности из-за ряда присущих им недостатков. К ним относятся наличие паразитной емкости относительно земли, некоторая индуктивность сопротивлений, возникновение значительных наводок на цепи заземления, что ограничивает не только точность, но и полосу пропускания по частоте. При исследовании импульсных напряжений это обстоятельство может оказаться решающим. Особенно сильно указанные недостатки проявляются при сверхвысоких напряжениях 750 кВ и при проведении исследований распределения напряжений по изоляционным элементам конструкций высоковольтных аппаратов и устройств, когда делители напряжений должны выполняться по сложной схеме с большим числом элементов, что снижает его точность и надежность.
В качестве основного элемента оптико-электронного ТН (ОЭТН) принята ячейка Поккельса. Из сравнения работы ячеек Поккельса и использующихся также для измерения напряжений высоковольтных установок модуляторов света, основанных на эффекте Керра, вытекают значительные преимущества первой. Они заключаются в лучшей модуляционной характеристике, доступности в технической реализации, долговечности, работоспособности в широком температурном диапазоне.
Существенным недостатком способа измерения напряжения, использующим модулятор Керра, является то, что интенсивность луча света (носителя информации) является нелинейной. Поэтому полученные осциллограммы приходится расшифровывать графическим способом.
Основным элементом ячейки Поккельса является кристалл толщиной / в направлении главной оптической оси (оси Z). Эффект Поккельса обнаруживается только в кристаллах с пьезоэлектрическими свойствами. В этих кристаллах по главной оси Z не происходит разложения света на обыкновенный и необыкновенный лучи, в то время как другие оси этим свойством обладают. Если же к кристаллу приложить электрическое поле вдоль оси Z, то оптическая ось расщепится на две, кристалл станет двуосным. Световой луч разлагается на обыкновенный и необыкновенный. Это явление, носящее название эффект Поккельса, и положено в основу оптико-электронного ТН. Для реализации эффекта Поккельса применяются кристаллы дигидрофосфата аммония и дигидрофосфата калия.
На грани, перпендикулярные главной оптической оси, наносятся электроды. Условием работы ячейки Поккельса (устройства, где происходит реализация эффекта Поккельса) является совпадение направление распространения света с направлением электрического поля. Поэтому применяемые для установки электроды должны быть прозрачными. Наилучшие параметры ячейки получаются, если электроды выполнить в виде тончайшей пленки золота, нанесенной в виде концентрического кольца на ее рабочие грани. Для создания однородного поля диаметр отверстия в электродах выполняется равным (0,6+0,7)/.
Принципиальная схема ОЭТН с использованием модулятора Поккельса приведена на рис. 1. Отличительной особенностью этой схемы является то, что приемник излучения и источник света располагаются на потенциале земли, а в зоне высокого потенциала размещаются только первичный измерительный преобразователь — ячейка Поккельса и необходимые элементы оптики, не вносящие погрешности в результат измерения напряжения.
Функциональная связь между элементами схемы осуществляется следующим образом: по интенсивности поток от источника света 1 формируется оптической системой 2 в параллельный пучок лучей, который по оптическому каналу связи (ретранслятору) 3 передается на сторону ВН, где с помощью поворотных призм 4 поступает в модулятор Поккельса 5, содержащий последовательно расположенные поляризатор б, управляемый измеряемым параметром (напряжением) элемент — ячейку Поккельса 7, анализатор 8. Модулированный по интенсивности световой поток 3 по оптическому каналу связи 9 передается на землю в приемную оптическую систему 10, которая направляет его в фотоприемник 11.
Выходной сигнал фотоприемника, пропорциональный измеряемому параметру — напряжению (/ф = U), может быть при необходимости подан на усилитель 12 и далее на исполнительные или регистрирующие приборы и устройства 13.
Остановимся более подробно на параметрах ячейки Поккельса в ОЭТН. Оптический сдвиг фаз зависит только от напряжения, подводимого к ячейке, и не зависит от геометрических размеров кристалла. Поэтому предельное значение измеряемого напряжения определяется только его электрической прочностью и на практике равно 2 — 4 кВ. Это напряжение сравнительно мало, а поэтому для расширения пределов измерений на кристалл необходимо наложить дополнительную оптически прозрачную пластину с тем, чтобы создать емкостный делитель напряжения. Таким образом, удается поднять предел измерения до десятков киловольт. Если измеряемое напряжение превышает и это значение, необходимо воспользоваться каким-либо делителем напряжения с тем, чтобы на ячейку Поккельса подать часть измеряемого напряжения.
Чувствительность ячейки (отношение индуцированной разности фаз <р к приложенному напряжению) может быть изменена путем двукратного пропускания света через кристалл или параллельным включением нескольких кристаллов в электрическую цепь.
Оптико-электронный трансформатор напряжения
Рис. 1. Принципиальная схема ОЭТН
Амплитудно-частотная характеристика ячейки Поккельса без учета дополнительных эффектов представляет собой прямую, параллельную оси частот, вплоть до значений частот 10 Мгц т.е. ячейка Поккельса является практически безынерционным модулятором, пригодный для измерения практически всех прямоугольных фронтов напряжения.
Температурный диапазон ячейки ограничивается только сверху величиной не более 383 °К, после чего кристалл разрушается. Долговечность ячейки при надлежащей герметизации практически не ограничена.
Коррекция погрешностей возможна автоматическая, путем применения термосопротивлений, работающих в температурных условиях ячейки Поккельса. Кроме того, возможна коррекция погрешностей путем введения поправок на воздействие температуры после каждого измерения (использование микроЭВМ). Для этого должна быть снята градуировочная кривая измерительного устройства для рабочего диапазона температур.
Параметры ячейки Поккельса при ее проектировании могут быть определены ориентировочно, так как они зависят от ряда обстоятельств: толщины кристалла, количества и характера примесей в кристалле, способов выполнения и расположения электродов, температуры окружающей среды, влажности и т.д. После ориентировочного определения параметры ячейки затем уточняются экспериментом или контрольными обмерами.
В настоящее время в связи с созданием релейной защиты на базе аналоговой и вычислительной техники потребляющие малую мощность ОЭТН пригодны не только для экспериментальных исследований, но и для длительной эксплуатации в энергетических системах с целью питания устройств релейной защиты на элементах вычислительной техники и измерительных приборов.
Схема устройства с использованием ячейки Поккельса содержит элементы: источник света, объектив поляризатор, кристалл Поккельса, электроды, анализатор и фотоприемник (осциллограф).

 
« Оптико-электронные трансформаторы тока с внутренней модуляцией   Проверка трансформаторов тока по 10%-ной погрешности »
электрические сети