10. Фильтры

Электрические фильтры предназначены для пропускания полезного сигнала и подавления помех в цепях питания и связи. Помехоподавляющий фильтр устанавливается непосредственно у источника помех для уменьшения излучения, а помехозащитный фильтр – перед приемником для подавления входящих помех. Фильтры ослабляют распространение помех вдоль проводящих линий. Их беспроблемное применение предполагает, что спектр частот полезного сигнала отдален от спектра частот помех [ CITATION Лаб09 \l 1049 ].

Фильтры подразделяются на две группы – по типу составляющих их элементов:

• пассивные;

• активные.

Пассивные фильтры строятся на основе пассивных элементов – резисторов, конденсаторов и дросселей (катушек индуктивности). В активных фильтрах наряду с упомянутыми элементами используются также полупроводниковые элементы, которые требуют дополнительного питания.

Самый простой синфазный дроссель состоит из двух катушек, намотанных на один сердечник, связанных общим магнитным полем. Когда через катушки протекают дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Следовательно, входной импеданс этих катушек равен нулю (если пренебречь их омическим сопротивлением) и теоретически они не влияют на дифференциальные сигналы. Но в случае появления синфазных токов магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению помех (Рис. 1 .14).

Рис. 1.14Принцип работы синфазного дросселя.

Наиболее распространенным способом применение пассивных фильтров является установка на измерительном кабеле ферритовых колец (Рис. 1 .15) выполняющих функцию высокочастотных дросселей.

Рис. 1.15 Высокочастотный дроссель на основе феритового кольца.

2. Разработка волоконно-оптического измерительного тракта

   1. Отечественный и зарубежный опыт

Устройство регистрации высокочастотных перенапряжений

Для решения описанных выше проблем на ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» разработано устройство регистрации высокочастотных перенапряжений на высоковольтном трансформаторно-реакторном оборудовании. Устройство основано на применении измерительного оптоэлектронного канала и высокочастотного емкостного делителя напряжения на базе ввода с изоляцией конденсаторного типа (Рис. 2 .16).

Рис. 2.16 Емкостной делитель напряжения на основе высоковольтного ввода

Верхнее плечо высоковольтного делителя состоит из емкости ввода C₁,

образуемой емкостью выравнивающих напряженность электрического поля

обкладок, расположенных между токоведущей трубой и последней измерительной обкладкой, имеющей измерительный вывод (Pin). Нижнее плечо высоковольтного емкостного делителя состоит из дополнительной емкости C₂, подключенной к Pin, и емкости С₃, образуемой между последней выравнивающей обкладкой и втулкой ввода. На Рис. 2 .17 показаны модификации устройства подсоединения к Pin высоковольтного ввода - нижнего плеча высоковольтного делителя, элементы которого расположены в цилиндрическом корпусе, и оптического датчика напряжения.

Рис. 2.17 Оптический датчик вместе с нижним плечом емкостного делителя. Слева для вводов с RIP изоляцией завода "ИЗОЛЯТОР", справа для вводов "TRENCH"

Измерительный оптоэлектронный канал состоит из электрооптического

датчика напряжения, основанного на физико-оптическом эффекте Поккельса

(Рис. 2 .18). Линейный участок преобразования оптико-электронного датчика по

напряжению +-750 вольт. Для согласования уровня напряжения подбирается

емкость нижнего плеча делителя С₂. Для защиты в датчике применяются разрядник R₁ и варистор R₂ на 800 вольт. Датчик напряжения подключен непосредственно к высоковольтному вводу, а с электронным блоком соединен только с помощью двух кварцевых оптоволоконных линий связи. Это делает схему развязанной от потенциала земли, и даёт возможность провести измерения на высоком потенциале, измеряя напряжение на обкладках оптико-электронной ячейки. Первая оптоволоконная линия предназначена для эмиссии оптического излучения в оптико-электронную измерительную ячейку, вторая для вывода модулированного излучения от приложенного к обкладкам оптической ячейки напряжения. В оптико-электронном измерительном канале применяется многомодовое оптоволокно 62,5/125 микрон, предназначенное для применения в компьютерных сетях.

Рис. 2.18 Схема устройства регистрации высокочастотных перенапряжений

Излучение с лазерного диода LD, расположенного в электронном блоке, по оптоволокну подается на датчик напряжения. Поляризованное излучение после поляризатора P1 проходит через кристалл OS1, обладающий эффектом двойного лучепреломления. В кристалле происходит поворот вектора поляризации за счет приложенного напряжения к его электродам. На выходе светового потока стоит второй поляризатор P2, где происходит преобразование угловой модуляции в амплитудную. Полученный после электро-оптической модуляции поток через соединительное оптоволокно попадает на фотодиод PD расположенный в электронном блоке (Рис. 2 .19).

Рис. 2.19 Структурная схема электронного блока

Фототок диода PD усиливается быстродействующим электронным усилителем IC с выходом на регистрирующее устройство (АЦП платы сбора данных, осциллограф) [CITATION Ару12 \l 1049 ].

Данная разработка имеет интересные технические решения, которые позволяют безопасно проводить длительные измерения, однако область его применения ограничена трансформаторно-реакторным оборудованием.

Устройства передачи аналоговых сигналов

Научно-производственной группой «R-Technology» разработано высокоточное устройство передачи аналоговых сигналов (УПАС) по оптоволоконному каналу. Его основное назначение передача мгновенных значений напряжений и токов, снимаемых с первичных датчиков (трансформаторов тока и напряжения) в системах электроснабжения на различные номиналы напряжения, в реальном, с точностью до фазы, масштабе времени.

УПАС предназначено для передачи амплитуды, формы и фазы сигнала, представляющего собой квазисинусоидальные колебания со следующими параметрами:

• основная частота сигнала – 42,5..57,5 Гц;

• ширина спектра сигнала – 3 кГц;

• суммарный уровень составляющих с частотами выше 100 кГц – не более -80 дБ от диапазона;

• среднеквадратичное значение – 0,01..1,2 от номинала.

Передатчик и приёмник имеют оптические разъёмы типа ST и рассчитаны на использование кабеля на основе стеклянного многомодового оптического волокна длиной до 500 м.

УПАС работает следующим образом, передатчик преобразует приложенное к его входу напряжение в последовательность цифровых отсчётов с помощью 16-битного АЦП на частоте дискретизации 235 кГц. Каждый отсчёт передаётся по оптическому кабелю, посредством модуляции типа «Манчестер-2», на частоте 15 МГц. Приёмник демодулирует приходящие по оптическому кабелю отсчёты и преобразует каждый из них в уровень напряжения при помощи 16-ти битного ЦАП. Общая задержка уровня напряжения на выходе ЦАП относительно напряжения на входе АЦП составляет постоянную величину приблизительно 6 мкс. Величина задержки сравнима с допустимой по ГОСТ величиной фазовой ошибки для всего тракта передачи, включая первичные преобразователи (±9 мкс). Поэтому для её компенсации до несущественного значения (примерно ±1 мкс) используется дифференцирующая цепь с соответствующим значением RC. Далее сигнал напряжения сглаживается интегрирующей цепью со значением RC 1 мкс.

Данное устройство может быть использовано для контроля показателей качества электроэнергии, однако УПАС имеет ширину полосы пропускания до 3 кГц, что не позволяет использовать его для регистрации высокочастотных сигналов.[CITATION Выс11 \l 1049 ]

Система для передачи импульсных высокочастотных сигналов

ВзарубежномжурналеElectricPowerSystemsResearchбылаобнаруженастатья «Ahigh-voltagelow-costwide-bandfiberoptictransmissionsystemwithimprovedlinearity» [10]. В ней описывается система для передачи импульсных высокочастотных сигналов по оптоволокну, состоящая из: передатчика, приёмника и ВОЛС. Электрический сигнал поступает с емкостного делителя на передатчика, где преобразуется в оптический сигнал и передается по оптоволоконному кабелю на приёмник, где происходит обратное преобразование сигнала из оптического в электрический и его выдача на осциллограф. Схема работы системы для передачи импульсных высокочастотных сигналов представлена на Рис. 2 .20.

Рис. 2.20 Схема работы системы для передачи импульсных высокочастотных сигналов: 1 – генератор импульсного напряжения; 2 – емкостной делитель; 3 – передатчик; 4 – оптоволоконный кабель; 5 – приемник; 6 – осциллограф

НаРис. 2 .21 и Рис. 2 .22 изображены принципиальные электрические схемы передатчика и приёмника приведённые в статье.

Рис. 2.21 Принципиальная электрическая схема оптоволоконного передатчика

Рис. 2.22 Принципиальная электрическая схема оптоволоконного приёмника

Данная система лучше всего подходит для решения обозначенных проблем, однако имеет ряд недостатков снижающих эффективность её применения:

• выходной ток передатчика изменяется при изменении выходного напряжения, что может привести к искажению передаваемого сигнала, это обусловлено использованием в передатчике схемы простого токового зеркала, в котором проявляется эффект Эрли;

• оптоволоконный приемник обладает высоким энергопотреблением, что ограничивает возможность его применения при продолжительных измерениях, данный недостаток обусловлен необходимостью создания на фотодиоде градиента напряжения 30 В для обеспечения его рабочих параметров.