Оптический трансформатор тока на основе кристалла тербий-галлиевого граната
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-1-25-32Ключевые слова:
оптический трансформатор тока, эффект Фарадея, вращатель Фарадея, тербий-галлиевый гранат, измеритель тока, оптический датчик, магнитооптический кристалл, цифровизация, электроэнергетикаАннотация
В настоящее время в электроэнергетической отрасли России происходит переход к цифровым технологиям, заключающийся во внедрении концепции интеллектуальной энергетической системы (Smart Grid) [1]. Одной из проблем при внедрении Smart Grid в распределительных электрических сетях является их низкий уровень наблюдаемости, связанный с недостаточной точностью измерений с помощью электромагнитных измерительных трансформаторов и подверженностью магнитной системы эффекту насыщения [2]. Возможное решение данной проблемы — измерители тока (оптические трансформаторы тока), принцип действия которых основан на иных физических эффектах, например, эффекте Фарадея.
Цели настоящей работы — разработка модели оптического трансформатора тока, рассчитанного на классы напряжения 6 – 110 кВ, на основе тербий-галлиевого граната, обладающего высокой эффективностью поворота плоскости поляризации, и проведение оценки ее метрологических характеристик. Функционирование оптического трансформатора тока основано на использовании эффекта Фарадея, при котором плоскость поляризации света поворачивается на угол, пропорциональный величине магнитной индукции, создаваемой током. Для повышения эффективности измерений подобран магнитооптический элемент. В ходе работы разработаны структурная схема и функциональная модель устройства, а также проведены испытания образца в лабораторных условиях. Созданное устройство может найти применение в распределительных электрических сетях, оно повысит точность измерений и уровень наблюдаемости, тем самым способствуя внедрению концепции цифровых подстанций и Smart Grid. Тема работы актуальна, поскольку цифровая трансформация энергетической отрасли является одной из приоритетных ветвей модернизации российской экономики.
Библиографические ссылки
1. Янин М.А. и др. Сравнение работы цифровых и аналоговых ТТ и ТН при опытах однофазного КЗ на ЦПС 500 кВ ТОБОЛ // Релейщик. 2020. № 3. С. 26—35.
2. Янин М.А. и др. Текущие результаты опытной эксплуатации электронных ТТ и ТН 500 кВ // Энергоэксперт. 2020. № 1. С. 62—67.
3. Mao Z. e. a. Development of a Novel High-frequency Reciprocal Structure Fiber Optical Pulsed Current Sensor // Review of Sci. Instruments. 2025. V. 96(1). P. 013508.
4. Xiang L., Pang F., Xiao Z., Zhang L. Vibration-insensitive Polarimetric Fiber Optic Current Sensor Based on Orbital Angular Momentum Modes in an Air-core Optical Fiber // Optics Letters. 2024. V. 49. Pp. 1753—1756.
5. Пат. № 2437129 РФ. Способ изготовления двулучепреломляющего микроструктурного оптического волокна / Воробьев И.Л., Волошин В.В., Чаморовский Ю.К. // Бюл. изобрет. 2011. № 35.
6. Пат. № 2437107 РФ. Чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика электрического тока и магнитного поля / Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К. // Бюл. изобрет. 2011. № 35.
7. Wu J., Zhang X., Chen L., Wu B. Fiber Fusion Splicing Error Analysis of All-fiber Optic Current Sensor with Different Demodulation Schemes // Energy Rep. 2022. V. 8. Pp. 466—474.
8. Пат. № 2677990 РФ. Оптический датчик с двулучепреломляющим измерительным spun волокном / Мюллер Г., Ян Линь, Бонерт К., Франк А. // Бюл. изобрет. 2019. № 3.
9. Пат. № WO 2019/160437 A1 Россия, МПК G01R 15/04. Трансформатор тока и напряжения комбинированный / Старостин Н.И., Соколовский А.А. // Бюл. изобрет. 2018. № 25.
10. Müller G., Frank A., Yang L., Gu X., Bohnert K. Temperature Compensation of Interferometric and Polarimetric Fiber-optic Current Sensors with Spun Highly Birefringent Fiber // J. Lightwave Technol. 2019. V. 37. Pp. 4507—4513.
11. Müller G., Frank A., Yang L., Gu X., Bohnert K. Temperature Compensation of Interferometric and Polarimetric Fiber-optic Current Sensors with Spun Fiber // Optical Fiber Sensors. 2018. P. TuE92.
12. Yu J., Yue C., Li J., Li D., Li H. Error Calculating and Compensating Method of All-optical Fiber Current Transformer in ±10 kV DC Distribution Network // J. Nanoelectronics and Optoelectronics. 2019. V. 14. Pp. 1606—1615.
13. Пат. № 2627021 РФ. Оптоволоконный датчик тока со spun волокном и температурной компенсацией / Мюллер Г., Гу Сюнь, Бонерт К., Франк А. // Бюл. изобрет. 2017. № 13.
14. CN214374983U. Torsional Optical Fiber Current Sensor Based on Ag-doped ZnO Magneto-optical Material // Yang Tianyu. 2021.
15. Xu S. e. a. Optical Fiber Current Sensors Based on FBG and Magnetostrictive Composite Materials // Appl. Sci. 2021. V. 11. Pp. 161—183.
16. Пат. № 2620927 РФ. Оптический измеритель переменного тока / Муллин Ф.Ф. // Бюл. изобрет. 2017. № 16.
17. Пат. № 2767166 РФ. Измеритель тока оптический интерференционный / Пеньковский А.И. // Бюл. изобрет. 2022. № 8.
18. US20120286767A1. Fiber Optic Current Sensor / Chamorovskiy Y. e. a. 2014.
19. Пат. № 2700288 РФ. Измеритель тока оптический универсальный / Пеньковский А.И. и др. // Бюл. изобрет. 2019. № 26.
20. Пат. № 171401 РФ. Оптический измеритель переменного тока в высоковольтных сетях / Пеньковский А.И. и др. // Бюл. изобрет. 2017. № 16.
21. Mihailovic P. Fiber Optic Sensors Based on the Faraday Effect // Sensors. 2021. V. 21. Pp. 6564—6591.
22. Weber M.J. Handbook of Optical Materials. California: CRC Press LCC, 2003.
23. Ingvill U.R. Application of Optical Current Transformers in Digital Substations: Master’s Thesis in Energy and Environmental Engineering. Trondheim, 2017.
24. Klaus B. e. a. Fiber-optic Current Sensor Tolerant to Imperfections of Polarization-maintaining Fiber Connectors // J. Lightwave Technol. 2018. V. 36(11). Pp. 2161—2165.
25. Klaus B. e. a. Polarimetric Fiber-Optic Current Sensor with Integrated-Optic Polarization Splitter // J. Lightwave Technol. 2019. V. 37(14). Pp. 3672—3678.
26. Svensson K.B. Fiber Optic Current Sensors: Master’s Thesis in Photonics Engineering. Gothenburg, 2014.
---
Для цитирования: Ладыгин А.А., Куршев М.Р., Красько М.Д. Оптический трансформатор тока на основе кристалла тербий-галлиевого граната // Вестник МЭИ. 2026. № 1. С. 25—32. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-1-25-32
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Yain M.A. i dr. Sravnenie Raboty Tsifrovykh i Analogovykh TT i TN pri Opytakh Odnofaznogo KZ na TSPS 500 kV TOBOL. Releyshchik. 2020;3:26—35. (in Russian)
2. Yanin M.A. i dr. Tekushchie Rezul'taty Opytnoy Ekspluatatsii Elektronnykh TT i TN 500 kV. Energoekspert. 2020;1:62—67. (in Russian)
3. Mao Z. e. a. Development of a Novel High-frequency Reciprocal Structure Fiber Optical Pulsed Current Sensor. Review of Sci. Instruments. 2025;96(1):013508.
4. Xiang L., Pang F., Xiao Z., Zhang L. Vibration-insensitive Polarimetric Fiber Optic Current Sensor Based on Orbital Angular Momentum Modes in an Air-core Optical Fiber. Optics Letters. 2024;49:1753—1756.
5. Pat. № 2437129 RF. Sposob Izgotovleniya Dvulucheprelomlyayushchego Mikrostrukturnogo Opticheskogo Volokna. Vorob'ev I.L., Voloshin V.V., Chamorovskiy Yu.K. Byul. Izobret. 2011;35. (in Russian)
6. Pat. № 2437107 RF. Chuvstvitel'nyy Element Volokonno-opticheskogo Interferometricheskogo Datchika Elektricheskogo Toka i Magnitnogo Polya. Morshnev S.K., Chamorovskiy Yu.K. Byul. Izobret. 2011;35. (in Russian)
7. Wu J., Zhang X., Chen L., Wu B. Fiber Fusion Splicing Error Analysis of All-fiber Optic Current Sensor with Different Demodulation Schemes. Energy Rep. 2022;8:466—474.
8. Pat. № 2677990 RF. Opticheskiy Datchik s Dvulucheprelomlyayushchim Izmeritel'nym Spun Voloknom. Myuller G., Yan Lin', Bonert K., Frank A. Byul. Izobret. 2019;3. (in Russian)
9. Pat. № WO 2019/160437 A1 Rossiya, MPK G01R 15/04. Transformator Toka i Napryazheniya Kombinirovannyy. Starostin N.I., Sokolovskiy A.A. Byul. Izobret. 2018;25. (in Russian)
10. Müller G., Frank A., Yang L., Gu X., Bohnert K. Temperature Compensation of Interferometric and Polarimetric Fiber-optic Current Sensors with Spun Highly Birefringent Fiber. J. Lightwave Technol. 2019;37:4507—4513.
11. Müller G., Frank A., Yang L., Gu X., Bohnert K. Temperature Compensation of Interferometric and Polarimetric Fiber-optic Current Sensors with Spun Fiber. Optical Fiber Sensors. 2018:TuE92.
12. Yu J., Yue C., Li J., Li D., Li H. Error Calculating and Compensating Method of All-optical Fiber Current Transformer in ±10 kV DC Distribution Network. J. Nanoelectronics and Optoelectronics. 2019;14:1606—1615.
13. Pat. № 2627021 RF. Optovolokonnyy Datchik Toka so Spun Voloknom i Temperaturnoy Kompensatsiey. Myuller G., Gu Syun', Bonert K., Frank A. Byul. Izobret. 2017;13. (in Russian)
14. CN214374983U. Torsional Optical Fiber Current Sensor Based on Ag-doped ZnO Magneto-optical Material. Yang Tianyu. 2021.
15. Xu S. e. a. Optical Fiber Current Sensors Based on FBG and Magnetostrictive Composite Materials. Appl. Sci. 2021;11:161—183.
16. Pat. № 2620927 RF. Opticheskiy Izmeritel' Peremennogo Toka. Mullin F.F. Byul. Izobret. 2017;16. (in Russian)
17. Pat. № 2767166 RF. Izmeritel' Toka Opticheskiy Interferentsionnyy. Pen'kovskiy A.I. Byul. Izobret. 2022;8. (in Russian)
18. US20120286767A1. Fiber Optic Current Sensor. Chamorovskiy Y. e. a. 2014.
19. Pat. № 2700288 RF. Izmeritel' Toka Opticheskiy Universal'nyy. Pen'kovskiy A.I. i dr. Byul. Izobret. 2019;26. (in Russian)
20. Pat. № 171401 RF. Opticheskiy Izmeritel' Peremennogo Toka v Vysokovol'tnykh Setyakh. Pen'kovskiy A.I. i dr. Byul. Izobret. 2017;16. (in Russian)
21. Mihailovic P. Fiber Optic Sensors Based on the Faraday Effect. Sensors. 2021;21:6564—6591.
22. Weber M.J. Handbook of Optical Materials. California: CRC Press LCC, 2003.
23. Ingvill U.R. Application of Optical Current Transformers in Digital Substations: Master’s Thesis in Energy and Environmental Engineering. Trondheim, 2017.
24. Klaus B. e. a. Fiber-optic Current Sensor Tolerant to Imperfections of Polarization-maintaining Fiber Connectors. J. Lightwave Technol. 2018;36(11):2161—2165.
25. Klaus B. e. a. Polarimetric Fiber-Optic Current Sensor with Integrated-Optic Polarization Splitter. J. Lightwave Technol. 2019;37(14):3672—3678.
26. Svensson K.B. Fiber Optic Current Sensors: Master’s Thesis in Photonics Engineering. Gothenburg, 2014
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
For citation: Ladygin A.A., Kurshev M.R., Kras’ko M.D. Optical Current Transformer Based on a Terbium Gallium Garnet Crystal. Bulletin of MPEI. 2026;1:25—32. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-1-25-32.
