Měřicí proudový transformátor s optickými vlákny – Mezinárodní vědecko-vzdělávací centrum „National Instruments – Polytechnic“

Rozvoj sítí Smart Grid a zavádění digitálních rozvoden s sebou nese nutnost nahrazení indukčních transformátorů proudu digitálními měřicími přístroji. Z tohoto důvodu se v poslední době začaly rychle vyvíjet optické proudové transformátory, jejichž technologie mají stále řadu nevýhod. Za prvé, specialisté bojují za zlepšení metrologických charakteristik takových transformátorů a snížení nákladů na hotová řešení.

V laboratoři vláknové optiky Petrohradské polytechnické univerzity byl vyvinut prototyp a specializovaný software pro optický měřicí transformátor proudu (FOICT) (také nazývaný vláknový optický proudový senzor (FOCT)). Společně s CJSC ITC Continuum – Yaroslavl (ec-continuum.ru) byl v březnu 2022 sestaven prototyp VOITT pracující ve třídě přesnosti 0.2. Probíhají práce na zlepšení metrologických charakteristik VOITT na třídu přesnosti 0.2S.

Obr.1. Prototyp vláknového optického přístroje proudového transformátoru (FOICT)

Rozsah použití: energetické sítě, výrobní a obchodní společnosti poskytující služby v oblasti výroby, přenosu a distribuce elektřiny, jakož i technologického připojení k energetickým sítím.

VOITT je navržen tak, aby s vysokou přesností měřil amplitudu a spektrální složení průmyslového frekvenčního proudu a převáděl naměřené hodnoty do digitálního datového toku v souladu s normou IEC 61850-9-2 (2011) pro použití v ochraně digitálních relé a automatizační zařízení, automatizované systémy řízení procesů, automatizované automatizované informační systémy a další automatizované systémy . Vyvinutý VOITT je určen pro napěťové třídy 110-220 kV a vyšší, lze jej však použít i pro nižší napětí.

Princip činnosti VOITT je založen na efektu modulace světla ve speciálním spřádaném optickém vláknu při vystavení vnějšímu magnetickému poli (Faradayův efekt), které vzniká proudem procházejícím vodičem. Výsledkem je, že na výstupu BOITT je generován signál úměrný měřenému proudu.

Obr.2. Optické provedení VOITT

Obr.3. Faradayův efekt

Optické záření širokopásmového zdroje s centrální vlnovou délkou 1550 nm je přivedeno přes rozbočovač vláken a polarizátor na vstup elektrooptického modulátoru, ve kterém se šíří ve formě dvou světelných vln s ortogonálními lineárními polarizacemi. Fázový rozdíl mezi vlnami se při vysoké frekvenci mění podle harmonického zákona. Dále světlo prochází zpožďovacím vedením o délce 200 m, které zajišťuje takové zpoždění mezi světelnými vlnami šířícími se v dopředném a zpětném směru, takže během doby, kdy se vlna šíří z fázového modulátoru do zrcadla a zpět, fáze modulační napětí změní znaménko na opačné. Fázová deska převádí lineárně polarizované režimy na kruhově polarizované režimy. Šíří se různou rychlostí podél citlivého spřádaného vlákna omotaného kolem vodiče s proudem. V tomto případě mezi nimi dochází k fázovému posunu, úměrnému proudu ve vodiči. Světelná vlna, odražená od zrcadla, se šíří v opačném směru a polarizační módy mění místa, v důsledku čehož se citlivost na proud zdvojnásobuje. Po průchodu světla optickým obvodem v opačném směru se na polarizátoru vytvoří interferenční signál, jehož optická mohutnost je součtem harmonických kmitočtů modulace. Signál vstupuje do fotodetektoru, z jehož výstupu se přes ADC dostává do procesní jednotky [1].

Obr.4. Laboratorní maketa přístrojového transformátoru proudu z optických vláken (FOICT)

Získávání, zpracování a úprava signálu se provádí pomocí PXI FPGA modulu pro FlexRIO PXIe-7966 s adaptérovým modulem transceiveru pro FlexRIO NI-5783 od National Instruments, instalovaným v šasi NI PXIe-1071. Odpovídající softwarová řešení pro zpracování signálu VOITT jsou evidována ve státním registru počítačových programů [2-5].

Autorův algoritmus zpracování signálu byl patentován, zvyšuje přesnost a stabilitu provozu VOITT kompenzací vlivu spontánní odchylky amplitudy modulace [6]. Byl také studován vliv teploty čtvrtvlnné desky a dalších prvků optického obvodu na přesnost měření VOITT a byly vyvinuty způsoby řešení těchto problémů [7-8].

1. Valentina Temkina, Andrei Medveděv a Alexey Mayzel Výzkum metod a algoritmů zlepšujících přesnost měření a tržní konkurenční výhody proudových snímačů z optických vláken// Senzory 2020, 20, 5995; doi:10.3390/s20215995
2. Maizel A. V., Medveděv A. V., Temkina V. S. Program pro simulaci činnosti algoritmu demodulace interferometrického signálu // Osvědčení o státní registraci počítačového programu č. 2021610190. Datum státní registrace v registru počítačových programů 12.01.2021
3. Maizel A. V., Medveděv A. V., Temkina V. S. Program pro simulaci činnosti optického interferometrického senzoru magnetického pole // Osvědčení o státní registraci počítačového programu č. 2021610021. Datum státní registrace v registru počítačových programů 11.01.2021
4. Maizel A. V., Medveděv A. V., Temkina V. S. Program pro implementaci zjednodušeného Kalmanova filtru na čip FPGA pro zlepšení kvality měření signálů intenzity magnetického pole v obvodu interferometrického senzoru s optickým vláknem // Osvědčení o státní registraci počítačového programu č. 2021680460. Datum státní registrace v registru počítačových programů 10.12.2021
5. Maizel A. V., Medveděv A. V., Temkina V. S. Program pro přímou syntézu libovolného frekvenčního signálu na čipu FPGA pro přesné řízení modulace v elektroměru interferenčního magnetického pole metodouCORDIC // Osvědčení o státní registraci počítačového programu č. 2021680380. Datum státní registrace v registru počítačových programů 09.12.2021
6. Medveděv A. V., Temkina V. S., Maizel A. V. Způsob demodulace signálu proudového snímače z optických vláken // RF Patent č. 2682981 ze dne 31.10.2018. října 01. IPC: G15R 22/01, G15R 24/01, G19R 00/01, G9B 02/25.03.2019 Zveřejněno: 9 Bulletin. č. XNUMX
7. Valentina Temkina, Andrei Medveděv, Alexey Mayzel, Eduard Sivolenko, Ekaterina Poletaeva, Iuliia Dudnik Experimentální studie vlivu teploty na prvky proudového snímače z optických vláken // Internet věcí, inteligentní prostory a sítě a systémy nové generace. NEW2AN 2020, ruSMART 2021. 30.–31. srpna 2021
8. Temkina, V., Medveděv, A., Mayzel, A., Mokeev, A. Kompenzace teplotní odchylky čtvrtvlnné vláknové desky ve vláknovém optickém snímači proudu // Sborník 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, EExPolytech 2019. 8906876, pp. 339-341

Temkina Valentina Sergeevna, asistentka, Vyšší škola aplikované fyziky a kosmických technologií