قياس التيار الكهربائي باستخدام الألياف الضوئية

خلاصة

يستكشف هذا المقال قياس التيار الكهربائي باستخدام الألياف الضوئية، بشكل أساسي من خلال تأثير فاراداي، المعروف أيضًا باسم التأثير المغناطيسي البصري. توفر مستشعرات تيار الألياف الضوئية (FOCS) دقة عالية ونمطية وسهولة التركيب. إنها توفر عزل جزء القياس عن التكنولوجيا الأساسية ويمكن قياسها داخل المحولات، بما في ذلك درجة حرارة الملفات. تلخص الورقة النتائج والأساليب والمبادئ المنشورة لتحديد القيم الكهربائية باستخدام تقنية الألياف الضوئية.

مقدمة

يعتمد قياس التيار الكهربائي باستخدام تقنية الألياف الضوئية على تأثير فاراداي المغناطيسي البصري، الذي تم اكتشافه عام 1845. وينطوي هذا التأثير على دوران مستوى استقطاب الضوء في وجود مجال مغناطيسي. أصبح استخدام هذه الظاهرة لقياس الكميات الكهربائية ممكنًا فقط مع التقدم في تكنولوجيا الألياف الضوئية. يمكن حساب زاوية الدوران (β) لمستوى الاستقطاب باستخدام المعادلة التالية:

$\beta =V\cdot B\cdot d$

أين:

• V  هو ثابت Verdet، الذي يعتمد على الطول الموجي للضوء،
• ب  هو الحث المغناطيسي،
• d  هو طول المسار البصري.

مبادئ أجهزة استشعار تيار الألياف الضوئية (FOCS)

تعمل أجهزة استشعار تيار الألياف الضوئية (FOCS) على الاستفادة من تأثير فاراداي لقياس التيار الكهربائي. هذه المستشعرات دقيقة للغاية ويمكنها اكتشاف تموج التيار والعابرين عبر نطاق ترددي واسع. أنها توفر العديد من المزايا، بما في ذلك:

• دقة عالية : قياسات دقيقة ضرورية لمختلف التطبيقات.
• نطاق درجة حرارة واسع : تشغيل فعال عبر الظروف البيئية المتنوعة.
• المعالجة الرقمية الكاملة : معالجة البيانات المحسنة والتكامل مع الأنظمة الرقمية الحديثة.
• قياس التيار أحادي أو ثنائي الاتجاه : متعدد الاستخدامات لاتجاهات تدفق التيار المختلفة.
• المخرجات التناظرية والرقمية : المرونة في التعامل مع الأنظمة الأخرى.
• سهولة التثبيت : الإعداد البسيط والتكامل في الأنظمة الحالية.
• شكل رأس استشعار قابل للتكيف : قابل للتخصيص ليناسب التطبيقات المختلفة.
• حجم صغير ووزن صغير : تصميم مدمج لسهولة الاستخدام.
• لا حاجة إلى توسيط مغناطيسي : إعداد مبسط دون الحاجة إلى محاذاة مغناطيسية.
• لا توجد مشاكل في التحميل الزائد المغناطيسي : أداء موثوق به دون تشويه في ظل الظروف الحالية العالية.
• الحصانة ضد التداخل الكهرومغناطيسي : لا تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية الخارجية.

تطبيقات FOCS

1. Metallurgical Industry: FOCS are used in electrolytic processes for obtaining precious metals, where they measure direct current (DC) up to 500 kA. Their compact size and high accuracy make them ideal for this application.

2. High-Voltage Direct Current (HVDC) Lines: FOCS are employed to measure and protect high-voltage DC lines, which are crucial for long-distance electricity transmission. Their immunity to magnetic overload and electromagnetic interference ensures reliable performance even under high short-circuit currents.

3. Transformer Monitoring: FOCS can be integrated into transformers to measure internal currents and temperatures, helping to prevent overheating and optimize performance.

4. Substation Control and Protection: Due to their small dimensions and weight, FOCS can be integrated into existing substation equipment like switches and bushings, providing accurate current measurements for control and protection.

Approaches and Results

1. Recirculating Architecture: An advanced FOCS design that uses a recirculating fiber loop to enhance current sensitivity. A 2×2 optical switch creates the loop, with a single-mode fiber as the sensing head. Sensitivities of 11.5 degrees/A for 1000 meters of fiber and 21.2 degrees/A for 500 meters of fiber have been experimentally achieved.

2. Spun Highly Birefringent Fiber: This approach reduces the size of the sensing coil, making it suitable for high-voltage watt-hour meters. The special spun fiber resists bending, improving measurement performance. The FOCS using this fiber achieved a measurement error of ±0.2% across a temperature range of -40°C to 70°C.

3. Plasma Current Measurement: FOCS technology has been adapted for measuring plasma currents in fusion reactors, such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The sensor measures the rotation of the polarization state in the presence of a magnetic field, achieving high accuracy in extreme conditions.

4. Temperature Drift Compensation: Research on temperature drift shows a linear relationship between temperature and FOCS error. Understanding this relationship allows for effective temperature compensation, improving sensor accuracy in varying temperatures.

5. Vibration Sensitivity Reduction: Improvements in fiber design and sensor configuration can mitigate errors caused by mechanical vibrations, enhancing the stability and accuracy of FOCS in dynamic environments.

6. HVDC Applications: FOCS technology is used to measure high DC currents up to 500 kA, offering significant advantages over traditional current transducers, such as smaller size, lighter weight, and higher accuracy.

7. تقنيات قياس التداخل : تُستخدم تصميمات قياس التداخل المتقدمة، مثل مقاييس تداخل سانياك، في نظام FOCS لتحسين الدقة والحساسية. تعمل هذه التصميمات على تقليل الأخطاء الناجمة عن الانكسار الخطي والعوامل البيئية.

خاتمة

تمثل أجهزة استشعار تيار الألياف الضوئية (FOCS) تقدمًا كبيرًا في قياس التيار الكهربائي. من خلال الاستفادة من تأثير فاراداي، توفر FOCS دقة عالية وعرض نطاق ترددي واسع ومناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي. وهي ذات قيمة خاصة في التطبيقات التي تتطلب قياسات تيار دقيقة، مثل صناعة المعادن، وخطوط HVDC، ومراقبة المحولات، والتحكم في المحطات الفرعية. يستمر تطوير تصميمات FOCS المتقدمة وتقنيات التعويض في تعزيز أدائها وموثوقيتها، مما يجعلها أداة أساسية في أنظمة القياس والمراقبة الكهربائية الحديثة.

من خلال تلخيص الوضع الحالي لتقنية FOCS وتسليط الضوء على التطورات الرئيسية، تؤكد هذه المقالة على أهمية وفائدة أجهزة استشعار الألياف الضوئية في القياس الدقيق للتيارات الكهربائية. يعد البحث والتطوير المستمر في هذا المجال بمزيد من التحسينات والتطبيقات الأوسع، مما يعزز دور FOCS في ضمان كفاءة وسلامة الأنظمة الكهربائية في جميع أنحاء العالم.