ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА
Принципы работы, устройство, характеристики

Серийные высоковольтные оптические измерительные трансформаторы тока (ОТТ) и преобразователи тока (ОПТ) появились на рынке несколько лет назад, открыв новую эру учета электроэнергии в энергетике и промышленности, причем как для переменных, так и для постоянных или импульсных токов.
Энергетикам в связи с этим предстоит осмыслить и научиться использовать в долговременной перспективе непривычные для себя понятия из области волновой и геометрической оптики, волоконно-оптической техники и оптоэлектроники, цифровой обработки сигналов и данных. Первый шаг в освоении нового класса устройств поможет сделать статья Аркадия Лазаревича Гуртовцева.

Аркадий Гуртовцев,
к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ»

Более ста лет в электроэнергетике и промышленности при высоковольтных измерениях переменных токов используют электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ), работа которых основана на явлении и законе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем еще в 1831 г. Другое явление, открытое им же в 1845 г., – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле [1]. Это явление, названное в честь автора эффектом Фарадея, стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений и ждало своего крупномасштабного технического применения более 150 лет.
В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились в ВЭИ им. В.И. Ленина еще в начале 70-х годов прошлого века. В те же годы в мире появилось и первое промышленное оптическое волокно (ОВ), которое пытались использовать не только для дистанционной передачи оптических сигналов, но, в частности, и в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ), использующих эффект Фарадея. Однако в то время технология еще не созрела для создания конкурентоспособных промышленных образцов ОТТ.
В России первые зарубежные серийные ОТТ были представлены на выставке «ЛЭП – 2006» [2]. Канадская компания NхtPhase Corporation, один из мировых лидеров на сегодня в серийном производстве ОТТ и ОПТ (а также оптических трансформаторов напряжения), представила тогда свой первый высоковольтный ОТТ типа NXCT. Вот что заметил по этому поводу один из авторов обзора [2]: «Отмечу то единственное, что мне понравилось. Это стенд канадской компании, которая представила оптический трансформатор тока на высокие напряжения.
Пускай пока это очень дорогой продукт, но направление крайне интересное. Электромагнитные трансформаторы тока и напряжения – уже устаревшая технология. Пройдет буквально пять лет – и то, что сегодня представили канадцы, будет стоять на половине стендов выставки».
Сегодня в России поставкой зарубежных изделий указанного вида и разработкой собственных занимаются несколько организаций. Одним из лидеров в области собственных разработок является московская фирма «Уникальные Волоконные Приборы» (ООО «УВП»), которая недавно анонсировала промышленный выпуск собственного ОТТ на напряжение 110–220 кВ и ток 100–4000 А [3–5].
К настоящему времени терминология по устройствам рассматриваемого вида еще окончательно не установилась. В литературе встречаются различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконно-оптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения данных трансформаторов, преобразователей или датчиков тока. Строго говоря, указанные устройства не являются в традиционном смысле трансформаторами тока (масштабными преобразователями), а относятся скорее к виду передающих преобразователей, преобразующих переменный или постоянный ток большого масштаба в соответствующий ему измерительный сигнал иного рода и/или вида. Будем называть все эти устройства кратко ОТТ или ОПТ (различия между ними станут ясны из дальнейшего текста).

ПРЕИМУЩЕСТВА ОТТ/ОПТ

• возможность масштабного преобразования и измерения как переменного (до 100 кА), так и постоянного или импульсного (до 600 кА) тока различных уровней напряжений (до 800 кВ);
• оптико-электронное малоинерционное преобразование световых сигналов с отсутствием явлений гистерезиса, магнитного насыщения и остаточного намагничивания, характерных для электромагнитных аналогов и ограничивающих их динамический диапазон и точность измерений;
• большой динамический диапазон (0,1–200% I_1ном) и высокая точность (0,1–0,2%) для измерений и защиты токовых цепей, достигаемые за счет использования поляризованных световых сигналов и их цифровой обработки; при этом одно и то же изделие, в отличие от электромагнитных аналогов, может использоваться при 10-кратно различающихся первичных номинальных токах за счет электронной перенастройки коэффициентов трансформации;
• широкая полоса пропускания сигналов (не менее 6 кГц), позволяющая производить полный анализ не только количества, но и качества электроэнергии в части гармоник (до 100 гармоник) и переходных процессов (для защиты);
• возможность интеграции в измерительные и информационные системы с использованием различных интерфейсов – аналоговых, дискретных и цифровых – и исключением влияния вторичной нагрузки на процессы измерения;
• полная эколого-, пожаро-, взрыво- и электробезопасность за счет отсутствия вредных веществ и электропроводящих материалов в ВОДТ, а также за счет использования маломощных световых сигналов, исключающих возможности искрения и возгорания в нештатных ситуациях (например, при обрыве ОВ);
• высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам, позволяющая монтировать изделия в сложной электромагнитной обстановке без ее предварительного анализа и коррекции;
• долговечность, долговременная стабильность и высокая повторяемость метрологических параметров изделий;
• низкая восприимчивость к вибрациям и изменениям температуры;
• малые весогабаритные параметры, упрощающие и облегчающие монтаж, а также позволяющие устанавливать изделия в ограниченном пространстве, в любом положении, с установкой на опору или путем подвешивания к жесткой шине;
• простота и надежность конструкции ВОДТ, высокая надежность и самодиагностика электронно-оптических блоков (ЭОБ) минимизируют требования к техническому обслуживанию и поверке изделий.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Свет в узком смысле – это видимое излучение, т.е. электромагнитные волны в интервале частот f = (7,5–4,0) · 10¹⁴ Гц (или 750–400 ТГц) и длин волн λ = 0,4–0,76 мкм, воспринимаемые глазом. Световые волны различных частот идентифицируются человеком как различные цвета – от длинноволнового красного до коротковолнового фиолетового. Под светом в широком смысле понимают оптическое излучение, включающее, кроме видимого, ультрафиолетовое (λ = 0,01–0,4 мкм) – УФ и инфракрасное (λ = 0,74–2000 мкм) – ИК-излучения. Электромагнитное излучение одной определенной и строго постоянной частоты называют монохроматическим (одноцветным) [1].
Электромагнитные волны (ЭМВ) представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания электромагнитного поля. В ЭМВ объединены изменения электрического и магнитного полей: всякое изменение напряженности Е электрического поля в какой-нибудь точке пространства вызывает в смежных точках появление переменного магнитного поля, изменение напряженности Н которого в свою очередь порождает меняющееся электрическое поле. Если источником электрического поля в физической среде являются неподвижные электрические заряды, а источником магнитного поля – равномерно движущиеся электрические заряды (постоянный ток), то источник ЭМВ – это неравномерно (ускоренно) движущиеся электрические заряды, в частности, их колебания и любой переменный ток [6].
Общим свойством любой ЭМВ является поперечность ее колебаний: в изотропных средах векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей волны перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения волны – ее лучу (или вектору скорости распространения волны v).
На рис. 1 приведен график ЭМВ, созданной электрическим вертикально направленным вибратором (штыревой антенной). Колебания векторов Е и Н изображены происходящими строго в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающих луч волны, – вертикальной для Е и горизонтальной для Н. Это обусловлено вертикальным расположением источника излучения – единичного электрического вибратора, в котором колебания вектора Е происходят вдоль оси у. При повороте вибратора в вертикальной плоскости х0у по часовой стрелке на угол α поворачиваются соответствующим образом и плоскости колебаний векторов Е и Н (рис. 1б, штриховые векторы). Волну, в которой направления колебаний векторов Е и Н происходят в строго фиксированных плоскостях, называют линейно или плоско поляризованной волной. В случае аналогичной световой волны говорят о линейно поляризованном свете. Плоскость, в которой колеблется вектор Е, называют плоскостью поляризации [1] (поскольку почти всегда векторы Е и Н перпендикулярны друг другу, то для полного описания состояния поляризации, вообще говоря, достаточно знания поведения лишь одного вектора Е). Поляризация характеризует поперечную анизотропию ЭМВ, т.е. неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной лучу волны. Это свойство лишает волну осевой симметрии относительно ее луча из-за наличия выделенных направлений колебаний векторов Е и Н.
Обычный источник света, например, Солнце или любое раскаленное тело, можно рассматривать как систему огромного множества элементарных электрических вибраторов, имеющих произвольную и постоянно меняющуюся во времени пространственную ориентацию. В световой волне такого источника отсутствуют выделенные фиксированные направления колебаний вектора Е: все колебания хаотичны, происходят по всем направлениям, перпендикулярным лучу, и равновероятно распределены по фронту волны относительно ее луча. Такой свет называют естественным светом и говорят, что он неполяризован. Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е в некоторой точечной области луча на плоскость, перпендикулярную лучу, – фронтальную плоскость (начало вектора Е всегда находится на луче, т.е. на оси z). На этой плоскости проекция конца вектора Е в любой момент времени может быть представлена некоторой точкой с координатами Е_х и Е_y, определяющими вершины двух ортогональных векторов Е_х и Е_y, на которые может быть разложен любой вектор Е: Е = Е_х + Е_y (рис. 2а). Гармоническое колебание вектора Е имеет вид Е = Е_msin(ωt + φ), где круговая частота ω, амплитуда Е_m и начальная фаза φ являются константами.
Как известно, при сложении двух гармонических колебаний с одинаковой частотой, но разными амплитудами и фазами, образуется гармоническое колебание той же частоты. Поэтому ортогональные векторы такого колебания представляются в виде Е_х = Е_mхsin(ωt + φ_х) и Е_у = Е_mуsin(ωt + φ_у). В реальных световых колебательных процессах, в отличие от гармонических, частота, амплитуда и фаза колебаний могут постоянно и хаотически меняться. Так как монохроматический свет имеет постоянную частоту ω, то указанные изменения относятся к амплитуде и фазе колебаний (на фронтальной плоскости они отображаются как изменения модуля Е вектора Е и его фазы φ или как соответствующие изменения его ортогональных векторов Е_х и Е_у).
Фронтальную плоскость неполяризованной световой волны можно представить в виде равновероятно распределенного множества точек, каждая из которых совпадает с проекцией конца вектора Е_i или Е_j (i j; i, j = 0, 1, 2,…) (рис. 2б). Векторы Е_i или Е_j определяют одно из возможных положений вектора общего излучения Е, проекция конца которого в каждый фиксированный момент времени случайно совпадает с одной из точек i или j, имеющих соответственно фазы φ_i или φ_j. За ненулевой интервал времени проекция вектора на фронтальной плоскости совершает хаотическое перемещение от одних ее точек к другим по непредсказуемой траектории. Если направления колебаний вектора Е упорядочены каким-либо образом, то свет называют поляризованным. Различают частично (колебания одних направлений преобладают над колебаниями других направлений) и полностью поляризованный свет (колебания происходят по строго определенным траекториям). Обычно частично поляризованный свет состоит из естественной и поляризованной составляющих.
В полностью поляризованном монохроматическом свете траектория перемещения конца вектора Е предсказуема и в общем случае описывает поверхность эллиптического цилиндра, проекция которого на фронтальную плоскость представляет собой эллипс поляризации (рис. 3а, 3б). Условием эллиптической поляризации является строгое постоянство во времени разности фаз Δφ = (φ_i – φ_j) между любыми двумя векторами Е_i или Е_j или их соответствующими ортогональными проекциями (в неполяризованном свете эта разность фаз непрерывно и хаотически меняется) [1]. Такая поляризация дополнительно характеризуется право- или левосторонним направлением вращения вектора Е в световой волне (на рис. 3 показано правое вращение – правый винт).
Предельными случаями эллиптической поляризации являются линейная и циркулярная (круговая) поляризация. В линейно поляризованном свете разность фаз Δφ = 0 (или кратна π, т.е. равна nπ, где n = 1, 2, 3… – целое число), эллиптический цилиндр вырождается в плоскость, а эллипс – в отрезок прямой линии, по которой перемещается проекция вектора Е (рис. 3в). Для определения состояния линейно или плоско поляризованного света достаточно указать положение его плоскости поляризации (например, указать угол α отклонения плоскости от вертикали). При круговой поляризации Δφ = (2n – 1)π/2, эллиптический цилиндр становится круговым, а эллипс превращается в окружность (рис. 3г). Подобно тому, как вектор Е представим на плоскости суммой двух ортогональных векторов Е_х и Е_у, его же можно представить в линейно поляризованном свете суперпозицией двух форм круговой поляризации Е₊ и Е_– с противоположным направлением вращения: Е = Е₊ + Е_– (если, например, разность фаз Δφ = φ₊ – φ_– = 0, то α = 0, а при φ₊ > φ_– будет α > 0, т.е. плоскость поляризации займет положение, показанное на рис. 3в).
Поляризация света может производиться различными способами. Среды, обладающие свойством поляризации света, называют поляризаторами, а приборы, с помощью которых обнаруживается положение плоскости поляризации, – анализаторами [7].

ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Линейно поляризованный свет можно подвергать в физических средах операциям поворота его плоскости поляризации в целях решения тех или иных технических задач. Такой поворот могут вызывать как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние физические поля, воздействующие на среду прохождения света. Возможность воздействия на поляризованный свет в среде при помощи постоянного магнитного поля лежит в основе эффекта Фарадея – вращения плоскости поляризации линейно (циркулярно) поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится эта среда. Основная особенность эффекта Фарадея заключается в его невзаимности, т.е. в нарушении принципа обратимости светового луча: его движение «назад» дает такой же угол поворота и в ту же сторону, что и движение «вперед». Изменение же направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения плоскости поляризации на противоположное.
Феноменологическое объяснение этого явления дает возникающая в среде под действием магнитного поля циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Как следствие, при распространении в среде вдоль магнитного поля пучка линейно поляризованного монохроматического света фазовые скорости (скорости пространственного перемещения фазы волны) его право- и левоциркулярной поляризованных составляющих различны, за один и тот же интервал времени они проходят в среде различные пути, что и приводит к вращению плоскости поляризации результирующего пучка света. В эффекте Фарадея магнитное поле влияет на поляризацию света лишь косвенно, изменяя оптические характеристики среды прохождения света (в вакууме магнитное поля не оказывает на свет влияния).
Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде [1]:

где Θ – угол поворота (угол Фарадея [радиан в СИ; угловая минута в СГСМ]); Н – магнитная напряженность поля [А/м в СИ; Э в СГСМ]; l – длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля [м в СИ; см в СГСМ]; V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение) [рад/А в СИ; мин/Э·см в СГСМ], зависящая от длины волны света (частоты), плотности среды и от ее температуры (слабо).
Для большинства сред V > 0 (правостороннее вращение) и составляет сотые доли угловой минуты ('): V = (0,01–0,02) мин/Э·см.
Знак угла поворота плоскости поляризации связан с направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против поля). При многократном прохождении света через среду, помещенную в постоянное магнитное поле, угол поворота плоскости поляризации возрастает в соответствующее число раз. Это свойство используется в конструкции ОТТ/ОПТ для повышения их чувствительности.
Продолжение материала – в следующем номере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика / Большой энциклопедический словарь. М.: Большая российская энциклопедия, 1999.
2. Палей Э., Аношин О. Электротехнический рынок России. Застой или временная передышка? Итоги выставки «Электрические сети России – 2006» // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6.
3. Некрашевич Е., Старостин Н. Волоконно-оптические датчики тока // Электронные компоненты. 2006. № 11.
4. Зырянова С. Единая сеть – единая страна // газета «Новые Контакты». 2007. № 12.
5. ООО «Уникальные Волоконные Приборы» – www.ufdgroup.ru
6. Элементарный учебник физики / под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Т. 3. М.: Наука, 1952.
7. Яворский В.М., Пинский А.А. Основы физики. Т. 2. М.: Наука, 1972.