Строительство межсистемных линий электропередач сверхвысокого напряжения, создание силовых установок с импульсными токами до 106А и более, необходимость разработки эталонных устройств для измерения параметров процесса передачи электроэнергии в полевых и лабораторных условиях обусловили развитие новых методов измерения электрических величин на основе достижений электроники и вычислительной техники. Наряду с методами измерения тока, основанными на использовании магнитной, электрической, радио, тепловой, акустической, оптической связи между первичными и вторичными цепями высоковольтных измерительных устройств, перспективными являются и оптикоэлектронные методы. Их физическую основу составляют преобразование входного электрического сигнала в световой, передача светового сигнала по оптическому каналу и его преобразование снова в электрический сигнал с последующим усилением.
Существует большое число реализаций оптико-электронных (ОЭ) методов, отличающихся способом воздействия измеряемого параметра на световой сигнал (способом модуляции), видом модуляции и конструктивным выполнением.
Поясним первые два наиболее важных признака упрощенной классификации ОЭ-методов на примере функциональных схем ОЭ- устройств для измерения тока.
В схеме (рис. 8,6, а) используется внутренняя модуляция интенсивности излучения. Измеряемый ток через первичный 1 и промежуточный 2 преобразователи воздействует на одни из параметров источника излучения 3 таким образом, что поток излучения изменяется во времени по детерминированному закону, определяемому видом используемой модуляции. Промежуточный преобразователь 2 получает питание от автономного источника 11. Он и блоки 1-3 находятся под высоким потенциалом по отношению к земле. Поток излучения через оптический канал 4 поступает на фотоприемник 5, расположенный в частях конструкции ОЭ- устройства, находящихся под потенциалом земли. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический, который затем через усилитель 6 с автономным источником питания 10 поступает параллельно на преобразователь кода в аналог 9 и нагрузки 8, 7.
Рис. 6. Структурные схемы ОЭТТ: а - с внутренней модуляцией; б - с внешней модуляцией.
Внутренняя модуляция в такой схеме может быть следующих видов: амплитудной, в том числе прямой, когда несущей является неизменный ток или напряжение, амплитудно-импульсной, частотной, частотно-импульсной, кодоимпульсной и др. При всех видах амплитудной модуляции схема (рис. 6, а) несколько упрощается, так как отпадает необходимость в блоках 8 и 9.
В схеме (рис. 6, б) используется внешняя модуляция интенсивности излучения - измеряемая величина воздействует на характеристики потока излучения вне источника. Поток излучения источника 2, подключенного к источнику питания 1, через линзу 3 и поворотные зеркала 4 поступает в ячейку Фарадея, содержащую поляризатор 5, магнитооптический элемент 6 и анализатор 7, где модулируется по амплитуде магнитным полем, созданным измеряемым током. По обратному оптическому каналу 8 излучение поступает в фотоприемник 9, который через усилитель 10, имеющий автономный источник питания 12, управляет работой нагрузки 11. Вид модуляции в схеме зависит от первичного преобразователя измеряемой величины и может быть принципиально любым из указанных для внутренней модуляции.
По рассмотренным структурным схемам создаются измерительные устройства, называемые оптико-электронными трансформаторами тока (ОЭТТ):
- дающие возможность обеспечить полную электрическую развязку цепи высокого напряжения от цепей вторичной коммутации, устранить нежелательные взаимные влияния этих цепей и обеспечить полную безопасность обслуживающего персонала;
- упрощающие выполнение изоляции по сравнению с изоляцией обычных электромагнитных ТТ;
- способные измерять токи в большом диапазоне с высокими быстродействием, точностью и помехозащищенностью, разрешающей способностью по частоте, широкополосностью;
- имеющие любое требуемое число независимых выходов для подключения нагрузки с любым входным сопротивлением, с Представлением информации в аналоговой или цифровой форме;
- обладающие достаточно высокой надежностью за счет полного или частичного резервирования отдельных, наиболее ответственных блоков, стабильностью работы в диапазоне температур -50.. +50°С;
- дающие возможность выполнить вариант конструкции, встраиваемой в коммутационные аппараты или их комплексы, за счет малогабаритности входящих элементов и небольшой массы.
Наряду с несомненными достоинствами ОЭТТ в сравнении с электромагнитными ТТ обладают рядом недостатков, обусловленных принципом действия:
- блокам преобразования оптического сигнала в электрический необходимы специальные источники питания;
- мощность выходных цепей недостаточна для приведения в действие существующих комплектов защит на электромеханических реле, а ее повышение связано с большими технико-экономическими трудностями;
- необходимость обеспечения высокой точности, надежности и стабильности работы во времени при изменении рабочих температур в широком диапазоне приводит к значительным усложнениям схем и, как следствие, к потере конкурентоспособности особенно в конструкциях на низшие классы напряжений.
Однако данные недостатки следует считать временными, ибо по мере совершенствования схемных решений и элементной базы они вполне устранимы.
