Могут ли оптические волокна измерять электрический ток?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Как в высоковольтных электростанциях с сотнями тысяч вольт оптоволокно определяет силу тока, не касаясь проводов?

2

На сверхвысоковольтных и ультравысоковольтных подстанциях (например, от 110\text{ kV} до 1000\text{ kV}) оптоволокно обеспечивает бесконтактное, высокоточное измерение тока в проводниках, опираясь на магнитооптический эффект Фарадея и технологию оптического волоконного трансформатора тока (Fiber Optic Current Transformer, FOCT).

Принцип работы и механизм физической изоляции следующие:

I. Основной физический принцип: магнитооптический эффект Фарадея и закон полного тока

Само по себе оптоволокно не “измеряет” поток заряда напрямую, а косвенно определяет величину тока, детектируя круговое магнитное поле, создаваемое током:

  1. Магнитооптический эффект Фарадея:
    Когда луч линейно поляризованного света проходит через оптическую среду (например, оптоволокно из высокочистого кварца) вдоль направления магнитного поля, плоскость поляризации света поворачивается. Угол поворота \theta прямо пропорционален интегралу вдоль пути распространения света от индукции магнитного поля \mathbf{B}:

    \theta = V \oint_{L} \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l}

    Где:

    • V — постоянная Верде (Verdet Constant) материала оптоволокна, характеризующая магнитооптитивную чувствительность материала;
    • d\mathbf{l} — вектор элементарного пути распространения поляризованного света в оптоволокне.

  2. Закон полного тока:
    Согласно закону полного тока из теории электромагнитных полей Максвелла, линейный интеграл индукции магнитного поля вдоль замкнутого контура равен произведению алгебраической суммы токов, проходящих через этот замкнутый контур, на магнитную постоянную \mu_0 ( \oint \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I ).

    Если специальное сенсорное оптоволокно намотать N витками вокруг проводника с током, образуя замкнутый контур, угол поворота можно упрощенно выразить как:

    \theta = V \cdot \mu_0 \cdot N \cdot I

    Таким образом, угол поворота \theta строго линейно связан с током I в проводнике и не зависит от формы замкнутого контура оптоволокна, геометрического положения проводника внутри контура, а также от внешних блуждающих электромагнитных полей.

  3. Демодуляция сигнала:
    На стороне земли передается два когерентных ортогонально поляризованных луча света, которые проходят через оптоволоконный контур на стороне высокого напряжения, отражаются от конечного конца и затем детектируются в блоке демодуляции посредством интерференции фазовой разницы поляризации, что позволяет точно вычислить мгновенное значение тока.

II. Как оптоволокно обеспечивает безопасное измерение при десятках тысяч вольт?

Традиционные электромагнитные трансформаторы тока (ТТ) полагаются на сердечник и медные проводники, что создает чрезвычайно строгие требования к изоляции и риски высокого напряжения при разомкнутой вторичной обмотке; оптоволоконные датчики имеют естественное преимущество физической изоляции:

  1. Собственная изоляция материала:
    Основной материал оптоволокна — высокочистый диоксид кремния ( \text{SiO}_2 ) с чрезвычайно низкой диэлектрической проницаемостью и напряжением пробоя постоянного тока, обычно достигающим сотен мегавольт на метр ( \text{MV/m} ), что само по себе является отличным диэлектриком с высоким сопротивлением напряжению.
  2. Полностью оптический изолированный канал:
    Измерительная система пространственно разделена на “высоковольтный сенсорный узел” и “низковольтный вторичный управляющий отсек”. Между шинами высокого напряжения до десятков тысяч вольт и стойкой обработки сигналов на уровне земли используются полностью диэлектрические (без металла) оптоволоконные патч-корды, которые прокладываются внутри высокопрочных изоляционных гильз (например, керамических или композитных из кремниевой резины), полностью прерывая путь проводимости заряда.
  3. Отсутствие насыщения магнита и риска резонанса:
    Оптоволокно не содержит ферромагнитных материалов, что полностью исключает проблемы насыщения магнита, остаточной намагниченности, гистерезиса и ферромагнитного резонанса, присущие традиционным трансформаторам. Полоса пропускания переходных процессов может достигать десятков килогерц ( \text{kHz} ), позволяя точно фиксировать токи перенапряжений при грозовых разрядах или коротких замыканиях.

III. Дополнительное примечание: решение на основе волоконных решеток (FBG)

Помимо схемы на основе эффекта Фарадея, в некоторых специфических сценариях мониторинга также используются волоконные решетки (FBG) в сочетании с материалами с гигантским магнитострикционным эффектом (например, Terfenol-D):

  • Магнитное поле, создаваемое током в проводнике, вызывает микродеформацию магнитострикционного материала;
  • FBG, приклеенная или инкапсулированная на материале, воспринимает изменение деформации, вызывая смещение \Delta\lambda_B отражающей центральной длины волны;
  • Это решение часто используется для мониторинга точек подключения конкретного оборудования или для измерения малых токов в распределительных сетях. Однако в основном измерительном и релейном защитном оборудовании главных трансформаторных подстанций сверхвысокого напряжения по-прежнему преобладает полностью оптический трансформатор тока (FOCT) на основе эффекта Фарадея с использованием поляризационных интерферометров.

(Примечание: Комплексные системы оптических волоконных трансформаторов тока не входят в основную линейку продуктов Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®). 大成永盛 специализируется на датчиках температуры, деформации и напряжения на основе специальных инкапсулированных волоконных решеток, а также на специальных термостойких оптоволоконных кабелях и комплектах патч-кордов.)