Квазираспределенный волоконно-оптический датчик для высоковольтных измерений

Авторы

  • Михаил Александрович Ксенофонтов Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Александр Владимирович Поляков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

квазираспределенный волоконно-оптический датчик, пьезоэлектрический эффект, частота рециркуляции, спектральное мультиплексирование, высоковольтные измерения, погрешность

Аннотация

Для контроля высоковольтного напряжения применяется рециркуляционный метод измерений. Квазираспределенный волоконно-оптический датчик выполнен в виде замкнутого оптоэлектронного контура, образованного перестраиваемым источником излучения, чувствительными элементами, разделенными спектральными отражательными элементами, лавинными фотодиодами и блоком регенерации. В качестве источника излучения использовался двухволновой перестраиваемый волоконный кольцевой лазер, который имел выходную мощность излучения 4,5 мВт, спектральный интервал между линиями генерации 200 ГГц и спектральную ширину 22,8 ГГц. Чувствительным элементом данного прибора является одномодовое оптическое волокно, намотанное на пьезокерамическую трубку. Принцип измерения основан на обратном поперечном пьезоэффекте, в результате которого приложенное электрическое напряжение вызывает изменение размеров пьезокерамической трубки и длины намотанного волоконного световода. С применением теории связанных мод проведено моделирование спектрально-энергетических параметров пяти соседних по спектру волоконных решеток Брэгга и установлены характеристики решеток, позволяющие использовать их в качестве спектрально-селективных элементов. Изменение частоты рециркуляции на разных длинах волн дало возможность осуществлять контроль электрического напряжения в разных точках с высокой точностью. Оценена разрешающая способность таких датчиков, равная 4,3 Гц/кВ для радиуса пьезокерамической трубки 12 см. Установлено, что при многоточечных измерениях для PZT-5Н достигается относительная погрешность 0,30 – 0,45 % в диапазоне напряжений 20 –150 кВ. Система предназначена для автоматизированного измерения электрического напряжения на распределительных трансформаторных станциях и высоковольтных линиях электропередач.

Биографии авторов

  • Михаил Александрович Ксенофонтов, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

    доктор физико-математических наук, доцент; заведующий лабораторией физикохимии полимерных материалов и природных органических соединений

  • Александр Владимирович Поляков, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    доктор физико-математических наук, доцент; профессор кафедры физики и аэрокосмических технологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Библиографические ссылки

  1. Rajkumar N, Jagadeesh Kumar V, Sankaran P. Fibre sensor for the simultaneous measurement of current and voltage in a highvoltage system. Applied Optics. 1993;32(7):1225–1233. DOI: 10.1364/AO.32.001225.
  2. Filippov VN, Starodumov AN, Minkovich VP, Barmenkov YO. Optically controlled fibre voltage sensor. IEEE Photonics Technology Letters. 2000;12(7):870–872. DOI: 10.1109/68.853530.
  3. Feng Pan, Xia Xiao, Yan Xu, Shiyan Ren. An optical AC voltage sensor based on the transverse Pockels effect. Sensors. 2011;11(7):6593–6602. DOI: 10.3390/s110706593.
  4. Kumada A, Hidaka K. Directly high-voltage measuring system based on Pockels effect. IEEE Transactions on Power Delivery. 2013;28(3):1306–1313. DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2250315.
  5. Rui Han, Quing Yang, Wenxia Sima, Yu Zhang, Shangpeng Sun, Tong Liu, et al. Non-contact measurement of lightning and switching transient overvoltage based on capacitive coupling and Pockels effects. Electric Power Systems Research. 2016;139:93–100. DOI: 10.1016/j.epsr.2015.11.037.
  6. Vohra ST, Bucholtz F, Kersey DA. Fibre-optic dc and low-frequency electric-field sensor. Optics Letters. 1991;16(18):1445–1447. DOI: 10.1364/ol.16.001445.
  7. Bohnert K, Nehring J. Fibre-optic sensing of voltages by line interrogation of the electric field. Optics Letters. 1989;14(5):290–292. DOI: 10.1364/ol.14.000290.
  8. Yoshino T, Kurosawa K, Itoh K, Ose T. Fibre-optic Fabry – Perot interferometer and its sensor applications. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982;18(10):1624–1633. DOI: 10.1109/JQE.1982.1071445.
  9. Islam MdR, Ali MM, Lai M-H, Lim K-S, Ahmad H. Chronology of Fabry – Perot interferometer fibre-optic sensors and their applications: a review. Sensors. 2014;14(4):7451–7488. DOI: 10.3390/s140407451.
  10. Martinez-Leon LI, Diez A, Cruz JL, Andres MV. Frequency-output fibre-optic voltage sensor. IEEE Photonics Technology. Letters. 2001;13(9):996–998. DOI: 10.1117/12.437194.
  11. Martinez-Leon LI, Diez A, Cruz JL, Andres MV. Frequency-output fibre-optic voltage sensor with temperature compensation for power systems. Sensors and Actuators A: Physical. 2003; 102(3):210–215. DOI: 10.1016/S0924-4247(02)00397-7.
  12. Chen X, He S, Li D, Wang K, Fan Y, Wu S. Optical fibre voltage sensor based on Michelson interferometer using phase generated carrier demodulation algorithm. IEEE Sensors Journal. 2016;16(2):349–354. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2479921.
  13. Jun Zhao, Min Yan, Shenguo Xu, Xiaohan Sun. Fibre-optic voltage sensor based on capacitance current measurement with temperature and wavelength error correction capability. IEEE Sensors Journal. 2022;22(24):23829–23836. DOI: 10.1109/JSEN.2022.3218698.
  14. Pacheco M, Mendoza-Santoyo F, Mendez A, Zenteno LA. Piezoelectric-modulated optical fibre Bragg grating high-voltage sensor. Measurement Science and Technology. 1999;10(9):777–782. DOI: 10.1088/0957-0233/10/9/303.
  15. Qing Yang, Yanxiao He, Shangpeng Sun, Mandan Luo, Rui Han. An optical fibre Bragg grating and piezoelectric ceramic voltage sensor. Review of Scientific Instruments. 2017;88(10):105005. DOI: 10.1063/1.4986046.
  16. Gonçalves MN, Werneck MM. Optical voltage transformer based on FBG-PZT for power quality measurement. Sensors. 2021;21(8):2699. DOI: 10.3390/s21082699.
  17. Dante A, Bacurau RM, Carvalho CC, Allil RCSB, Werneck MM, Ferreira EC. Optical high-voltage sensor based on fibre Bragg gratings and stacked piezoelectric actuators for a. c. measurements. Applied Optics. 2019;58(30):8322–8330. DOI: 10.1364/AO.58.008322.
  18. Poliakov AV. Frequency fibre-optical sensor system with wavelength division multiplexing. Proceedings of SPIE. 2009;7356:3561X. DOI: 10.1117/12.820707.
  19. Poliakov AV. Monitoring of physical parameters by fibre-optic recirculation sensor. Proceedings of SPIE. 2008;7009:70091A. DOI: 10.1117/12.793874.
  20. Shilong Pan, Xiaofan Zhao, Caiyun Lou. Switchable single-longitudinal-mode dual-wavelength erbium-doped fibre ring laser incorporating a semiconductor optical amplifier. Optics Letters. 2008;33(8):764–766. DOI: 10.1364/OL.33.000764.
  21. Bo L. Microwave generation based on fibre Bragg grating [dissertation]. Singapore: Nanyang Technological University; 2011. 172 p.
  22. Lam DKW, Garside BK. Characterization of single-mode optical fibre filters. Applied Optics. 1981;20(3):440–445. DOI: 10.1364/AO.20.000440.
  23. Othonos A. Fibre Bragg gratings. Review of Scientific Instruments. 1997;68(12):4309–4341. DOI: 10.1063/1.1148392.
  24. Polyakov AV, Ksenofontov MA. Quasi-distributed recirculation fibre-optic temperature sensor. Optical Memory and Neural Networks. 2009;18:271–277. DOI: 10.3103/S1060992X09040043.
  25. Polyakov AV, Ksenofontov MA. High-voltage monitoring with a fibre-optic recirculation measuring system. Measurement Techniques. 2020;63:117–124. DOI: 10.1007/s11018-020-01759-3.
  26. Kuz’min KG, Polyakov AV, Chubarov SI. Metrological analysis of recirculation-type fibre-optic sensors. Measurement Techniques. 2001;44:146–151. DOI: 10.1023/A:1010957123435.

Загрузки

Опубликован

2025-11-03

Выпуск

№ 2 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Раздел

Оптика и спектроскопия

Лицензия

Copyright (c) 2025 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

(1)
Ксенофонтов, М. А.; Поляков, А. В. Квазираспределенный волоконно-оптический датчик для высоковольтных измерений. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2025, вып. 2, 31-40.