Nekonvencionalni mjerni transformatori

NCIT

Autor: Mirsad Madeško

Sarajevo, juni 2010.

�

�

SADRŽAJ

SAŽETAK .................................................................................................................................. 4

ABSTRACT ............................................................................................................................... 4

1. UVOD – POSTAVKA ZADATKA ................................................................................... 5

2. KONVENCIONALNI MJERNI TRANSFORMATORI ................................................... 72.1. NAPONSKI MJERNI TRANSFORMATORI ................................................................................... 11

2.1.1. Opće karakteristike naponskih transformatora ............................................................. 152.2. STRUJNI MJERNI TRANSFORMATORI ...................................................................................... 16

2.2.1. Zasićenje strujnih transformatora ................................................................................. 202.2.2. Zaostali fluks ................................................................................................................. 21

2.3. ZAŠTITA MJERNIH TRANSFORMATORA OD EKSPLOZIJE ......................................................... 21

3. NEKONVENCIONALNI MJERNI TRANSFORMATORI ............................................ 223.1. FIBEROPTIČKI KABEL ............................................................................................................. 23

3.1.1. Konstrukcija kabela, karakteristike, prednosti i sistem prijenosa ................................. 233.2. POLARIZOVANA SVJETLOST ................................................................................................... 26

3.2.1. Polarizacija uz pomoć polaroid filtera i Malusov zakon .............................................. 273.2.2. Polarizacija pri refleksiji (odbijanju) i prelamanju ...................................................... 293.2.3. Polarizacija svjetlosti prilikom prostiranja kroz medij ................................................. 30

4. PASIVNI I AKTIVNI MJERNI SISTEMI ..................................................................... 314.1. PASIVNI MJERNI SISTEMI ........................................................................................................ 31

4.1.1. Kerr efekat ..................................................................................................................... 324.1.2. Pockels efekat ................................................................................................................ 334.1.3. Faradey efekat ............................................................................................................... 34

4.1.3.1. Verdetova konstanta .................................................................................................. 364.1.3.2. Amperova teorema..................................................................................................... 36

4.1.4. Hall efekat ..................................................................................................................... 364.1.5. Špula Rogowskog........................................................................................................... 37

4.2. AKTIVNI MJERNI SISTEMI ...................................................................................................... 42

5. IZVEDBE I KOMPONENTE NEKONVENCIONALNIH (OPTIČKIH) MJERNIH TRANSFORMATORA ............................................................................................................ 43

5.2. SHEMATSKI PRIKAZ NEKONVENCIONALNIH (OPTIČKIH) MJERNIH TRANSFORMATORA ............. 445.2.1. Hibridni mjerni transformatori .......................................................................................... 45

5.3. OPTIČKI SENZOR ........................................................................................................................ 465.3.1. Izvedba senzora od punkog (kružnog) stakla ili kristalnog seznora .................................... 475.3.2. Hibridni magnetsko-optički senzor ...................................................................................... 485.3.3. Strujni optički senzor sa špulom Rogowskog ...................................................................... 49

5.4. STRUJNI NEKONVENCIONALNI MJERNI TRANSFORMATOR .......................................................... 515.5. NAPONSKI NEKONVENCIONALNI MJERNI TRANSFORMATOR ...................................................... 53

5.5.1. Transverzalna konfiguracija .............................................................................................. 535.5.2. Longitudinalna konfiguracija .............................................................................................. 54

5.6. KOMBINIRANI NEKONVENCIONALNI STRUJNI I NAPONSKI MJERNI TRANSFORMATOR ............... 56

7. ZAKLJUČCI ..................................................................................................................... 58

8. LITERATURA .................................................................................................................... 59

�

SAŽETAK

U ovom radu dati će se kratak osvrt na mjerne transformatore s feromagnetskom (željeznom) jezgrom koji se u praksi nazivaju konvencionalni mjerni transformatori koji su dosegnuli svoj optimum i nisu se značajnije mijenjali u posljednih nekoliko desetljeća. Napredak tehnologije, elektronike i optoelektronike omogućio je razvoj i upotrebu drugačijih vrsta mjernih pretvarača, bez feromagnetske jezgre, ili upotrebu (umjesto standardne željezne jezgre) drugih feritnih materijala koji imaju bolji odziv na brze promjene mjernih signala. U praksi se takvi mjerni pretvarači nazivaju nekonvencionalnii mjerni transformatori. Pomenuta nova, napredna tehnologija za prijenos informacija koristi optičke prijenosne sisteme, tj. fiberoptičke kablove, a tehnologija mjerenja struja i napona bazirana je na elektrooptičkim i magnetooptičkim efektima, a u radu su pomenuti: Hall efekat, Kerr efekat, Pockels efekat i Faraday efekat. U radu su takoñe opisani optički senzori kao i hibridni, strujni, naponski i kombinirani nekonvencionalni mjerni transformatori.

ABSTRACT

This paper will give a short overview of instrument transformers with a ferromagnetic (iron) core that is often called conventional instrument transformers which have reached their optimum. They did not changed significantly during the last few decades. Progress in technology, electronics and optoelectronics enabled the development and usage of different kind of measuring transducers without ferromagnetic cores or with other ferrite materials (instead of the standard iron core) that have a better response to the rapid signal changes. In practice, these instruments are called Non Conventional Instrument Transformers. The new advanced technologies are using fiber optic transmission systems, i.e. fiberoptical cables, for data transfer, as well as the new voltage and current measuring transducers based on the electro-optical and magneto-optical effects. Some of the effects are mentioned in article: Hall Effect, Kerr Effect, Pockels Effect and the Faraday Effect. This paper also describes the optical sensors, as well as hybrid instrument transformers, current, voltage and combined non conventional instrument transformers.

�

1. UVOD – POSTAVKA ZADATKA

Transformatori su statički elektromagnetni aparati bez pokretnih dijelova, sastavljeni od dva ili više električnih krugova povezanih preko magnetskog toka, [L1]. Transformatori se koriste za različite svrhe u skoro svim oblastima elektrotehnike kao npr:

- povišenje ili sniženje napona i struja u električnim mrežama uz pretvorbu značajnih količina el. energije – energetski transformatori,

- prilagoñavanje visokih vrijednosti napona i struja opsezima mjernih instrumenata – naponski i strujni mjerni transformatori,

- promjenu broja faza električne mreže, naprimjer pretvaranje trofaznog u 2,4,6,9 ili 12- fazni sistem – transformatori za promjenu broja faza,

- podešavanje napona i struja na strani trošila – regulacijski transformatori, - električno razdvajanje dva električna sistema – izolacijski transformatori, - sniženje za napone koji se smatraju bezopasnim po život čovjeka, naprimjer 12 V,

24V ili 42V – zaštitni transformatori, - dobivanje visokih vrijednosti struja na strani potrošača – transformatori za zavarivanje

i elektrolučne peći, - potrebe ispitivanja drugih električnih ureñaja – ispitni laboratorijski transformatori.

Druga navedena stavka vezana je za mjerenje, stoga se može reći da je mjerenje, odnosno nauka o mjerenju (metrologija) specijalizirani dio pojedinih prirodnih i tehničkih nauka koje se bavi metodama mjerenja fizikalnih veličina, razvojem i izradom mjernih ureñaja, reprodukcijom i pohranjivanjem mjernih jedinica, te svim ostalim aktivnostima koje omogućavaju mjerenje i usavršavanje mjernih postupaka. Mjerenje predstavlja skup aktivnosti čiji je cilj dobivanje vrijednosti mjerne veličine, [L2].

Značaj mjerenja kao praktične tehničke djelatnosti od prvenstvene je važnosti kako u svakodnevnom životu tako i u svim područjima privrede i nauke, naročito u područjima elektrotehnike, koja bi bila nezamisliva bez mjerenja.

Prilikom direktnog mjerenja u elektrotehnici pojedinih veličina, kao što su: napon, struja, snaga, frekvencija, energija, fazni pomak i slično, bili bi potrebni instrumenti prilagoñeni visini napona i veličini struje mjernog kruga. Meñutim, ako su struje i naponi nešto viši, izravno mjerenje bi bilo nepraktično i teško izvodivo, pa se tada upotrebljavaju mjerni transformatori koji mjerene struje i napone svode na vrijednosti prikladne za mjerenje tako da se može reći da je mjerni transformator namjenjen za napajanje mjernih instrumenata, brojila, releja i drugih sličnih aparata, tj. za prilagoñavanje (reduciranje) napona i struja na vrijednosti prikladne za mjerene istrumente, brojila i zaštitne ureñaje (releje), te za odvajanje mjernih i zaštitnih ureñaja od mreže čime se postižu mnoge prednosti kao što su, [L3], [L4], [L5], [L6]:

- Mjerni instrumenti se izoliraju od visokih napona u mjernom krugu, njihova konstrukcija se pojednostavljuje, jer ih ne treba izolirati na visoki napon i rukovanje njima postaje bezopasno,

- Mjerene struje i naponi različitih naznačenih iznosa transformiraju se na uvijek iste naznačene vrijednosti (na struje od 1(A) ili 5(A) i napone od 100(V), 200(V), 100/ (V) ili 200/ (V)), što smanjuje broj potrebnih mjernih, zaštitnih i regulacijskih instrumenata i ureñaja što omogućava da se serijski proizvode,

- Mjerni instrumenti i ureñaji se uz pomoć posebnih izvedbi mjernih transformatora štite od štetnog termičkog i dinamičkog djelovanja struja kratkog spoja,

- Ako se udalje mjerni instrumenti i ureñaji od mjernog strujnog kruga, onda na njihov rad neće uticati snažna električna i magnetna polja.

�

Mjerni transformatori mogu se klasificirati prema, [L3]:

- Mjernoj veličini (strujni transformatori i naponski transformatori), - Namjeni (transformatori za mjerenje i zaštitu), - Naponskom nivou (niskonaponski, srednjenaponski i visokonaponski mjerni

transformatori), - Izolacionom mediju (suhoizolovani, uljni i SF6 mjerni transformatori), - Tehnologiji izrade (konvencionalni mjerni transformatori, nekonvencionalni mjerni

transformatori).

U ovom radu dati će se osvrt na konvencionalne mjerne transformaore, te će biti predstavljena i opisana nova, napredna tehnologija mjerenja struja i napona nekonvencionalnim (optičkim) mjernim transformatorima. Tehnološki progres informacionih tehnologija (IT), elektronike i optoelektronike u posljednjih dvadesetak godina ima veoma bitan uticaj na promjene koncepcije VN aparata i postrojenja koje karakterizira, [L3]:

- kompaktizacija postrojenja i - digitalna zaštita koja zahtijeva malu snagu za svoj rad

Nekonvencionalni strujni i naponski mjerni transformatori zbog malih dimenzija i digitalnog izlaza prirodno nalaze svoje mjesto u novoj arhitekturi VN postrojenja. Tako se, pored konvencionalnog načina mjerenja struje i napona (koristeći klasične strujne i naponske mjerne transformatore), u elektroenergetskim sistemima sve češće primjenjuju i nekonvencionalni načini mjerenja.

Danas je razvijeno nekoliko tehničkih rješenja, zasnovanih na optičkim ili hibridnim senzorima, postoje u industrijskim sektorima i predloženi su od strane nekoliko proizvoñača.

Bitno je istaći da je IEC već definirao odgovarajuće standarde za NCIT (Non Conventional Instruments Transformers – Nekonvencionalne mjerne transformatore) tehnologiju, te će se u ovom radu spomenuti sljedeći:

- IEC 60044.7 za naponske nekonvencionalne mjerne transformatore, - IEC 60044.8 za strujne nekonvencionalne mjerne transformatore, - IEC 61850 za razmjenu digitalnih podataka sa svim ostalim IED-ovima (“Intelligent

Electronic Devices” – Inteligentni elektronički ureñaji) podstanice i dr.

�

2. KONVENCIONALNI MJERNI TRANSFORMATORI Mjerni transformatori imaju dva meñusobno izolovana namotaja, primar sa brojem

namotaja N1 i sekundar sa brojem namotaja N2 (slika 2.1.)

Sl. 2.1. Shema mjernog transformatora

Na primarni namotaj dovodi se napon U1 pod čijim djelovanjem teče struja I1. Stvara se magnetskopobudna sila primara I1N1 koja u magnetskom kolu stvara magnetski fluks Φ. Pošto su primarna struja I1 i fluks Φ izmjenični u sekundarnom namotaju indukovati će se elektromagnetska sila E2 pod čijim će djelovanjem kroz opterećenje Z proticati struja I2 koja je usmjerena od transformatora prema opterećenju. Struja I2 može biti usmjerena i od opterećenja prema transformatoru, ali prvi pristup, gdje je struja usmjerena od transformatora prema opterećenju Z, bliža je stvarnoj fizikalnoj slici rada mjernog transformatora, jer je smjer struje odreñen prema smjeru toka snage u mjernom transformatoru: od primara prema sekundaru, odnosno od električne mreže prema opterećenju, [L1]. Znači, proticanjem stuje I2 kroz opterećenje na krajevima sekundara nastaje napon U2. Odabiranjem konstrukcije i materijala velike magnetske propustljivosti za magnetsko kolo transformatora, postiže se da gotovo cio magnetski fluks, generisan djelovanjem struje primarnog namotaja, obuhvata namotaje sekundara. Ako nema rasipanja fluksa, onda se govori o idealnim transformatorima. U realnim uslovima uvijek postoji radna otpornost i toplinski gubici, magnetska otpornost i toplinski gubici u željeznoj jezgri (gubici usljed histereze i vrtložnih struja) i gubici usljed rasipanja magnetskog toka u transformatoru i u okolni prostor.

U pravilu, kod mjernih transformatora, primarna struja I1 je veća od sekundarne struje I2 i zbog toga je N1>N2. Primarni namotaji se rade sa različitim presjekom u funkciji nominalne primarne struje I1N. Kod transformatora sa primarnom strujom I1N većom od 500(A), primar može predstavljati jedan namotaj u obliku bakarne šine koja prolazi kroz otvor jezgra.

Kod naponskih transformatora napon na primaru U1 je veći od sekundarnog napona U2 i zato je N1>N2. Oba namotaja (primar i sekundar) rade se od provodnika relativno malog presjeka. Prema standardima sekundarni nominalni napon U2N je 100(V) ili 100/ (V) u ovisnosti od nominalnog primarnog napona U1N. Primarni i sekundarni namotaji se namataju na feromagnetnu jezgru prema shemama priključivanja kao na slici 2.2.

Prema shemama priključivanja u mjernom kolu i prema uslovima rada strujnih i naponskih mjernih transformatora, postoje meñusobne razlike. Kod strujnih mjernih transformatora primarni namotaji spojeni su u seriju sa potrošačem pri čemu pad napona na namotaju treba biti neznatan prema naponu potrošaca.

�

Kod naponskih mjernih transformatora primarni namotaji spojeni su paralelno sa potrošačem čiji se napon mjeri. Struja kroz primarni namot mora biti dovoljno mala (znatno manja od struje potrošača). Mjerni ureñaji se u oba slučaja uključuju na sekundarnoj strani.

Sl. 2.2. Sheme priključivanja mjernih transformatora (strujnih i naponskih)

Prema pokazivanju instrumenta, koji je spojen na sekundarnoj strani, može se odrediti vrijednost mjerene veličine, tako što se pokazivanje instrumenta pomnoži sa koeficijentima KSmt i KNmt koji se nazivaju stvarni koeficijenti transformacije. Stvarni koeficijent transformacije za strujne transformatore je:

dok za naponske transformatore važi:

Ukoliko se zna pokazivanje ampermetra I2 i voltmetra U2, mjerna struja I1 i mjerni napon U1 mogu se izračunati kao:

Vrijednosti sekundarnih veličina se ne mijenjaju proporcionalno promjenama primarnih veličina, tj. KSmt i KNmt nisu uvijek konstantni. Koeficijenti ovise o režimu rada transformatora, odnosno o vrijednosti struje i napona, karakteristika i vrijednosti opterećenja sekundarnog kola, frekvencije struje, kvalitete jezgre itd. Obično se raspolaže sa nominalnim koeficijentima transformacije koji su za dati transformator konstantne veličine:

Za strujne transformatore nominalni koeficijent transformacije će se označavati KSmtN, a za naponske transformatore KNmtN. Odreñivanje mjerenih veličina preko nominalnih

�

koeficijenata transformacije dovodi do greške. Relativna greška, zbog razlike izmeñu stvarnog i nominalnog koeficijenta transformacije, je:

• Za strujne transformatore

gdje je:

• Za naponske transformatore

gdje je:

Greška PSmt se naziva prijenosna greška strujnog, a PNmt prijenosna greška naponskog mjernog transformatora. Osim ovih grešaka kod mjernih transformatora postoji i fazna greška. Kao što je poznato iz teorije transformatora, u idealnom slučaju, vektor sekundarne struje I2 fazno je pomjeren prema vektoru primarne struje I1 za ugao 180°. Isti fazni pomak treba da bude izmeñu primarnog i sekundarnog napona. U realnom transformatoru ugao izmeñu suprotnog vektora sekundarne struje – I2 (ili napona – U2) i vektora primarne struje I1 (ili napona U1) nije jednak nuli, već predstavlja ugao δ koji se naziva fazna greška transformatora. Za analizu ponašanja mjernog transformatora može se koristiti nadomjesna (zamjenska) shema koja je data na slici 2.3.

Sl. 2.3. Nadomjesna shema mjernog transformatora

Na primarni namotaj doveden je napon U1 pod čijim djelovanjem kroz primarni namotaj teče struja I1. Impedansa primarnog namotaja je Z1 i jednaka je: (Z1 =R1+jωL1). Magnetsko kolo predstavljeno je impedansom Z0 koja se sastoji od paralelnih otpornosti gubitaka magnetskog kola R0 kroz koju teče struja Iq i od induktivne reaktanse magnetskog kola X0=ωL0 kroz koju teče struja magnećenja Im, pri čemu je I0 = I q + Im. Ove dvije struje su meñusobno fazno pomjerene za 90°. Impedansa Z'2 jednaka je: (Z'2 =R'2+jωL'1 ), sastoji se od otpornosti i induktiviteta. Na krajevima sekundara je vezan mjerni instrument impedanse Z. Na temelju nadomjesne sheme mjernog transformatora može se nacrtati vektorski dijagram napona i struja mjernog transformatora. Dijagram se, obično, ne crta u razmjeri i prilikom crtanja se koristi predpostavka koja je jednaka:

��

Vektorski dijagram se crta na osnovu poznatih, odnosno izmjerenih sekundarnih veličina, napona U'2 i struje I'2. Prvo se crta sekundarni napon U'2 u odabranoj razmjeri. Znajući iznos Z'=R'+jωL' dobije se fazni pomak izmeñu napona U'2 i struje I'2:

Tako se može nacrtati i vektor sekundarne struje I'2. Sekundarna struja I'2 stvara odgovarajuće padove napona na sekundarnom namotaju (R'2I'2 i X'2I'2). U općem slučaju vektorski dijagram izgleda kao na slici 2.4., pri čemu su sve veličine preračunate na primar kako je to i prikazano nadomjesnom shemom, iako su brojevi primara i sekundara meñusobno jednaki, jer kad se crtaju vektorski dijagrami za realan mjerni transformator moraju se sve veličine, naponi i struje preračunati ili na primar ili na sekundar. Ako se računa sa veličinama koje se na primjer preko broja namotaja reduciraju na primarnu stranu, kako je i prikazano nadomjesnom shemom, dobije se:

Sl. 2. 4. Vektorski dijagram mjernog transformatora

��

2.1. Naponski mjerni transformatori

Naponski mjerni transformatori imaju funkciju da obezbjede mjerenje visokih napona kao i da zaštite instrument i osoblje od previsokih napona dodira. Na slici 2.1.1. data je principijelna shema priključivanja mjernih naponskih transformatora ako se radi o trofaznoj mreži (priključivanje na linijski ili na fazni napon).

Sl. 2.1. 1. Priključivanje naponskog mjernog transformatora

Za razliku od strujnog mjernog transformatora, koji radi u režimu blizu kratkog spoja sekundarnog kola, naponski mjerni transformatori rade u režimu blizu praznog hoda obzirom da se na sekundarne namotaje spajaju instrumenti sa relativno velikim unutrašnjim otporom. Treba naglasiti da su oznake primara A i B (ili N), odnosno sekundara a i b (ili n). Prazan hod sekundara (sekundarni namotaji otvoreni) kod ovih mjernih transformatora je uobičajena pojava. Isto tako, za razliku od strujnih mjernih transformatora, kod naponskih mjernih transformatora instrumenti u sekundarnim kolima spajaju se paralelno. Na slici 2.1.2. data je shema trofaznog mjernog naponskog transformatora, koja je nešto rijeña od jednofaznog transformatora. Oznake primara su A, B, C, N dok su oznake sekundara a, b, c i n.

Sl. 2.1. 2. Priključak trofaznih naponskih mjernih transformatora

Na slici 2.1.3. dat je vektorski dijagram naponskog mjernog transformatora (uzeto da je N1=N2 pri čemu nije potrebno preračunavati veličine na primar ili sekundar, mada je u stvarnosti N1>N2).

��

Vektor napona U'2 na sekundaru transformatora i elektromotorna sila E'2 se dobiju iz sljedećih jednadžbi:

(17.)

gdje su R' i X' ekvivalentni aktivni i reaktivni otpori instrumenta koji je priključen na sekundaru, a R'2 i X'2 aktivni i reaktivni otpori sekundarnog namotaja. Vektor primarnog napona U1 dobija se kada se na zarotiranu elektromotornu silu E'2 za 180° doda pad napona na aktivnim i reaktivnim otporima primara.

Ako se uzme u obzir jednadžba (17. ) i odnos I1 = I 0 +(– I 2 ) dobije se:

Sl. 2.1. 3. Vektorski dijagram naponskog transformatora

Iz posljednje jednadžbe se vidi da naponi U1 i U'2 nisu jednaki bez obzira na to što se uzelo u obzir da je N1=N2. Veličina tog odstupanja, a samim tim i greška u prijenosnom odnosu pu i faznog pomaka δU ovise od struja I'2, I0 i otpora namotaja transformatora. Najviše utiče opterećenje sekundarne grane. Zbog padova napona od struje magnetiziranja kod naponskog transformatora u praznom hodu, prenosna greška je negativna. Porastom opterećenja tj. sekundarne struje I'2, ona raste u istom smjeru (pravac 1, Slika 2.1.4.). Zato je potrošac naponskog transformatora, za odreñenu klasu tačnosti, ograničen. Bolja klasa

��

tačnosti naponskog transformatora može se postići oduzimanjem nekoliko namotaja primara, odnosno smanjenjem njihovog broja. Na taj način se pravac greške translatorno pomjera na pozitivnu stranu te se, u mjernom opsegu, greška rasporeduje na pozitivnu (manje opterećenje naponskog transformatora) i na negativnu stranu (veće opterećenje naponskog transformatora) – pravac 2 na slici 2.1.4.

Sl. 2.1. 4. Naponska greška naponskog mjernog transformatora u ovisnosti o opterećenju

Naponska greška pu već pri praznom hodu je ili nula ili negativna sa tendencijom povećanja pri porastu opterećenja. Opterećenje mjernih transformatora izražava se u (VA), a njegov nominalni iznos daje se na natpisnoj pločici (VA) n . Preporučuju se sljedeći nominalni iznosi 10(VA), 25(VA), 50(VA), 100(VA), 200(VA), 500(VA). Granični dopušteni iznosi grešaka za naponske mjerne transformatore (za napone izmeñu 80% i 120% nazivnog napona sa opterećenjem izmeñu 25% i 100% nazivnog opterećenja faktora snage 0,8 induktivno) dati su u tabeli 2.1. i oni ne smiju biti premašeni.

Index klase tačnosti

Granice naponskih grešaka (%)

Granice faznih grešaka (')

0,1 0,1 5 0,2 0,2 10 0,5 1,5 20 1 1 40 3 3 nisu ograničene

Tabela 2.1. Granični dopušteni iznos grešaka za naponske mjerne transformatore

Za mjerenje visokih naponskih nivoa (110(kV) i više) upotrebljavaju se kapacitivni naponski mjerni transformatori. Sastoje se od dva kondenzatora C1 i C2 (C1<<C 2). Mjerni napon U1 se raspodjeljuje srazmjerno veličini reaktansi (X2<<X 1) pa se na klemama B1 i B2 javlja mali napon. Ustvari, radi se o kapacitivnom djelitelju napona (Slika 2.1.5.).

Sl. 2.1. 5. Kapacitivni djelitelj napona

��

Sa slike 2.1.5. odnos napona je:

odnosno:

Na mjerenje ne utiče frekvencija kao i viši harmonici. Pošto je C1<<C 2 to je U1>>U 2 i ako se računa samo sa aktivnim otporom paralelno spojenim sa kondenzatorom C2 dobije se sljedeća slika 2.1.6. sa vektorskim dijagramom.

Sl. 2.1. 6. Djelitelj napona

Ako se paralelno kapacitetu C2 priključi induktivitet X nastaje samo naponska greška, a fazna greška je jednaka nuli (slika 2.1.7.).

Sl. 2.1.7. Induktivitet u paralelnom spoju sa kondenzatorom C2

Za ovaj slučaj važi odnos:

Kako potrošnja instrumenta može iznositi i do 100(VA), uticaj bi bio veliki. To se može smanjiti znatnim povećanjem kapaciteta djelitelja napona. Jedna od takvih varijanti data je na slici 2.1.8.

��

Sl. 2.1. 8. Povećanje kapaciteta djelitelja napona

Ovdje se može napisati da važi:

2.1.1. Opće karakteristike naponskih transformatora

Upotrebom naponskih mjernih transformatora naponski nivoi se transformiraju na vrijednosti koje omogućuju upotrebu standardnih mjernih instrumenata i releja za mjerenje i zaštitu. Naponski transformatori su dizajnirani da imaju tačan prijenosni odnos, da precizno snize napon tako da se može mjeriti na sigurnom naponu (tipično 100 / V) i trebaju predstavljati neznatno opterećenje naponu koji se mjeri.

Primarni namotaj naponskog transformatora priključuje se paralelno potrošaču kojem se mjeri napon (slika 2.1.1.1.). Pri tome, struja kroz njegov primarni namotaj mora biti znatno manja od struje potrošača. Takoñer se primarni namotaj naponskog mjernog transformatora izolira od sekundarnog namota ovisno od reda napona razvodnog postrojenja u kojem će biti ugrañen transformator.

Sl. 2.1.1.1. Priključak mjernog transformatora

Primarni namotaj (označen sa 1) spojen je na mrežu visokog napona preko osigurača (3), a sekundarnom namotaju (2) se priključuju mjerni instrumenti ili releji. U sekundarnom krugu su postavljeni osigurači (4). Oni služe za zaštitu naponskih transformatora od kratkog spoja u sekundarnom krugu. Za kratki spoj u sekundarnom krugu transformatora, zbog velikog otpora

��

koji ima transformator, struja u primarnom krugu bi bila vrlo mala (reda nekoliko ampera), pa osigurači (3) ne bi reagirali. Padovi napona u transformatoru, a time i njegova naponska i fazna greška ovise od opterećenja priključenog na njegove sekundarne stezaljke. Vrijednost opterećenja se izražava koristeći njegove prividne provodnosti i faktora snage:

Opterećenje se može izraziti i pomoću prividne snage koju troši pri nazivnom sekundarnom naponu (uz propisani faktor snage):

P = Y U2n2

S obzirom na opterećenje koje se priključuje na sekundarnu stranu upotrebljavaju se naponski transformatori za mjerenje i za zaštitu. Od prvih se zahtjeva viša tačnost, ali samo na uskom naponskom području. Kod drugih se zahtjeva manja tačnost, ali je potrebno da ona bude održana na širem naponskom području. Da bi se osigurala sigurnost osoblja koje radi u razvodnom postrojenju uvijek je jedan kraj sekundarnog namota obavezno uzemljujen. Na ovaj način naponski transformator izoluje mjerene instrumente i releje u odnosu na više napone, tako da je rukovanje njim bezopasno. Tokom rada naponski transformator mora biti pouzdan u radu, što manjih dimenzija i težine. Potrebno je da budu nezapaljivi, jednostavni za održavanje i po mogućnosti što jeftiniji.

2.2. Strujni mjerni transformatori

Izbor strujnih i naponskih mjernih transformatra treba biti pažljivo izveden da bi zaštitni instrumentni i mjerni sistemi ispravno funkcionisali. Strujni mjerni transformatori ne trebaju dostići zasićenje pri maksimalnoj struji kvara. Većina modernih digitalnih releja prave se tako da su u stanju ispravno funkcionisati u prisustvu zasićenih SMT (SMT – Strujni mjerni transformator) tako što koriste adaptivne filtere da zaobiñu SMT zasićenje.

Kompaktan dizajn modernih metalom oklopljenih prekidača sadrži ograničen prostor za broj i veličinu strujnih mjernih transformatora koji su potrebni za zadovoljavajući rad u okruženju sa visokom strujom kratkog spoja. Kvalitetni SMT obično zauzimaju velik prostor, tako da je potrebno optimizirati dizajn SMT tako da se ispune tehnički uslovi i istovremeno ograničiti njihovu veličinu i cijenu.

Od strujnih mjernih transformatora traži se da transformišu struju u stalnom odnosu i bez faznog pomaka na vrijednost koja je prikladna za mjerenje. Takoñer, kod mjerenja struje u visokonaponskim mrežama strujni mjerni transformatori služe za izoliranje mjernih instrumenata od visokog napona. Po novim propisima IEC-a (Medunarodna elektrotehnička komisija) umjesto ranijih oznaka primara K i L uvedene su jedinstvene oznake P1 i P2, a umjesto oznaka k i l sekundara uvedene su oznake S1 i S2, [L5].

Na slici 2.2.1. dati su grafički simboli i oznake strujnih mjernih transformatora prema IEC normama. Strujni mjerni transformator se približava idealnom transformatoru kod koga su primarni navoji jednaki sekundarnim:

��

Sl. 2.2. 1. Graficki simboli i oznake strujnih transformatora prema IEC-u

Ovo idealno stanje ne može se postići, jer je za postojanje sekundarne struje potreban neki napon. Za induciranje tog napona potreban je odreñen broj navoja primara, koji nije kompenziran sekundarnim navojima, već služi za magnetiziranje jezgra. Taj dio navoja je uzrok strujne i fazne greške pa se nastoji da bude što manji. To se postiže upotrebom jezgra sa visokim permeabilitetom. Zbog toga otpor potrošaca ne smije preći odreñenu, vrlo nisku vrijednost.

Sl. 2.2.2. Shema spajanja strujnog transformatora

Priključak sekundarnog namotaja S strujnog transformatora čiji se primarni namotaj nalazi na visokom naponu, obavezno se vezuje na zemlju, a takoñer i masa transformatora kao što je prikazano na slici 2.2.2.

Strujni mjerni transformator radi u režimu koji je blizu kratkom spoju i zbog toga se kod njih u sekundarno strujno kolo spajaju potrošači sa malim otporom. Ekvivalentna shema strujnog mjernog transformatora, sa svedenim parametrima na sekundar, data je na slici 2.2.3. i ona služi za crtanje vektorskog dijagrama.

Sl. 2.2. 3. Ekvivalentna shema strujnog mjernog transformatora

��

Parametri koji karakterišu strujni mjerni transformator su R0, L0, R2 i X2 koje odabira konstruktor. Režim rada transformatora odreñuju parametri tereta R i L (otpornosti i induktiviteti strujnih kola priključenih mjernih instrumenata).

Na slici 2.2.4. dat je opći – kvalitativni vektorski dijagram strujnog mjernog transformatora, što znači da se sve veličine preračunavaju na sekundar, pri čemu se dobivaju veličine:

Sl. 2.2. 4. Vektorski dijagram strujnog transformatora

Znači, strujni mjerni transformator radi u režimu, koji je blizu kratkog spoja, jer se na sekundar spajaju instrumenti malog unutrašnjeg otpora. Vektor napona sekundara dobije se kao zbir vektora padova napona I2R i I2X na aktivnim R i reaktivnim X otporom opterećenja sa strujom u sekundaru I2. Elektromotorna sila sekundara E2 usljed postojanja fluksa u jezgri Φ dobije se kao rezultat slaganja vektora U2 sa vektorima I2R2 i I2X2 kao padova napona na aktivnom R2 i reaktivnom X2 otporu sekundara. Sa dijagrama se vidi da su vektori I2 i

skoro pomjereni za 180°, te se može pisati da je:

��

Samim tim su i vektori magnetskopobudnih sila I2N2 i I1N1 pomjereni za skoro 180°. Sa slike 2.2.4. se vidi da je procentualna strujna greška jednaka:

Izraz za ugaonu grešku δSmt može se dobiti takoñe iz dijagrama uz sljedeće pretpostavke:

Može se zaključiti da se greška strujnog mjernog transformatora povećava sa povećanjem magnetskopobudne sile (amperzavoja) N1. Strujna greška se kod odredenih vrijednosti struje I2 može dovesti do nule ako je ispunjen uslov:

gdje je KSmtN – nominalni koeficijent transformacije.

Ovaj se uslov obično i pravi prikladnim odabirom namotaja sekundara N2. Već kod drugih vrijednosti struje I2 greška neće biti jednaka nuli pošto se struja ne mjenja proporcionalno struji I2. Struja ovisi od kvaliteta materijala jezgre, njenih dimenzija, broja namotaja kao i od karaktera i vrijednosti opterećenja na sekundaru. Povećanje otpora sekundarnih namotaja i povećanje opterećenja tj. uključivanjem većeg broja instrumenata u sekundar dovodi do povećanja elektromotorne sile E2, što za rezultat ima povećanje struje kao i greške.

Klasa tačnosti

Vrijednost

primarne struje (u procentima) u

odnosu na nominalnu %In

Granične vrijednosti struje

greške (%)

Granične vrijednosti

ugaone greške (‘)

Procentualne granice

sekundarnog opterećenja u

odnosu na nominalne vrijednosti (cosφ=0.8)

0.1

120-100 20 10

±0.1 ±0.2 ±0.4

±5 ±8 ±15

-

0.2

120-100 20 10

±0.2 ±0.35 ±0.50

±10 ±15 ±20

25-100

0.5

120-100 20 10

±0.50 ±0.75 ±1.0

±30 ±45 ±60

25-100

1

120-100 20 10

±1.0 ±1.5 ±2.0

±60 ±90 ±120

25-100

3

120-50

±3.0

Nisu ograničene

50-100

5

120-50

±5.0

Nisu ograničene

-

Tabela 2.2. Granični dopušteni iznos grešaka za strujne mjerne transformatore

��

Odnos izmeñu aktivnih i reaktivnih komponenti na sekundaru kao i parametara istrumenata koji se spajaju na sekundar utiče kako na veličinu grešaka i δSmt tako i na njihov znak. Ugao φ0 praktično ostaje konstantan dok ugao Ψ2 ovisi od odnosa izmeñu induktivnog i aktivnog otpora namotaja i instrumenta.

Kod povećanja induktivnog otpora opterećenja ugao Ψ2 se povećava što dovodi do povećanja strujne greške i smanjenja ugaone greške δSmt.

Strujni mjerni transformatori su podjeljeni u šest klasa tačnosti. Granice grešaka strujnih mjernih transformatora date su u tabeli 2.2.

2.2.1. Zasićenje strujnih transformatora

Napon zasićenja (Uzas) je napon na SMT-u kod kojeg vršna indukcija prelazi gustinu fluksa zasićenja. Iako je izlazna impedansa modernih releja malena, potrebno je uzeti u obzir X/R odnos sistema, otpor namotaja SMT-a, kao i otpore kontakata za proračun zasićenja kod simetričnih i asimetričnih kvarova. Kod simetrične struje kvara (bez DC komponente) potrebno je ispuniti sljedeći uslov da bi se izbjeglo zasićenje:

Da bi se minimizirao efekat zasićenja u uslovima stacionarnog stanja, napon zasićenja mora iznositi manje od 50% napona tačnosti. Kod asimetrične struje kvara (sa DC komponentom) treba biti ispunjeno:

gdje je X reaktansa, a R otpor sistema primara sve do mjesta kvara. Navedeni selektivni kriterij rezultira velikim SMT-om kod sistema sa velikom strujom kvara i visokim odnosom X/R. Preporuke: � Bira se najviši odnos koji se može koristiti u releju da bi se smanjila struja kvara

sekundara. Moderni releji bazirani na mikroprocesorima imaju velik opseg, tako da nema potrebe birati nizak odnos broja namotaja. � Specificira se najviši napon tačnosti SMT-a za korištenu opremu. SMT-ori bušing-tipa korišteni u transformatorima snage i visokonaponskim prekidačima imaju visok napon tačnosti. Meñutim, problem nastaje kod srednjenaponskih prekidača zbog ograničenog prostora koji nije dovoljan za postavljanja dovoljnog broja strujnih mjernih transformatora. � Koristi se veliki odnos broja namotaja zbog smanjenja relejne struje, što rezultira nižim naponom zasićenja, tako da će relej proraditi prije nego što SMT preñe u zasićenje.

Faktor zasićenja (Kzas) predstavlja odnos napona zasićenja i napona pobude. Kzas se koristi da bi se izračunalo vrijeme potrebno da se dostigne zasićenje. IEEE 1976 publikacija o tranzijentnom odzivu strujnih transformatora, 76-CH1130-PWR, daje krive po kojima se može izračunati vrijeme do zasićenja po sljedećoj jednadžbi:

gdje je: TS – vrijeme zasićenja,

1

XT

Rω=

⋅,

ln – prirodni logaritam,

KS – faktor zasićenja, 2 fω π= ,

X, R – reaktansa i otpornost sistema

��

Da bi se izračunalo vrijeme do zasićenja, potrebno je poznavati sljedeće faktore: � odnos X/R u sistemu, � maksimalna struja kvara koja će doći do SMT-a, � zaostali fluks u jezgru, � izlazni napon SMT-a, � napon zasićenja.

2.2.2. Zaostali fluks

Fluks koji je ostao u jezgri SMT-a se odreñuje prilikom ispitivanja DC opreme, ili kada doñe do prekida struje primara dok je SMT u zasićenom stanju. SMT proizvodi neiskrivljenu struju sekundara ako je zaostali fluks suprotnog polariteta u poreñenju sa fluksom koji proizvodi tranzijentna komponenta struje kvara. Ako su zaostali fluks i fluks koji proizvodi tranzijentna komponenta struje kvara istog polariteta, valni oblik struje sekundara će biti iskrivljen. Zaostali fluks će ostati u jezgru SMT-a sve dok se ono ne demagnetizira. Za demagnetiziranje SMT-a potrebno je pratiti sljedeće korake: � dok je primar u praznom hodu, na sekundar se spaja izvor izmjeničnog napona, � napon se povećava sve dok jezgro ne preñe u zasićenje. Prijelaz u zasićenje se

može detektovati posmatranjem naglog porasta struje pobude, � napon se smanjuje na nulu u periodu od 3 sekunde. Zaostali fluks SMT-a tokom njegovog rada može se smanjiti na sljedeći način: � u sekundarni krug SMT-a se ubacuje varijabilni otpornik, uz uobičajene mjere

opreznosti rada sa krugovima pod naponom, � otpor se povećava sve dok se ne postigne zasićenje jezgre, � otpor se smanji na nulu.

2.3. Zaštita mjernih transformatora od eksplozije

Eksplozija mjernog transformatora je najteži oblik kvara i kao za posljedicu ima:

- Izravan trošak zamjene mjernih transformatora, - Direktne troškove zamjene susjedne opreme oštećene u eksploziji.

Takoñer, nije rijedak slučaj da ovaj tip kvara uzrokuje indirektne štete uslijed ne isporučene električne energije. Za vrijeme otklanjanja njegovih posljedica, treba uzeti u obzir i ozljede osoblja u elektroenergetskom postrojenju. Analiza dvije meñunarodne ankete organizirane u okviru meñunarodne CIGRE uslijed višegodišnje diskusije u radnim skupinama IEC - a navela je da se dodatno teorijski i eksperimentalno istražiti fenomen eksplozije mjernih transformatora u pogonu. Na temelju analize je utvrñeno da je oko polovice oštećenja mjernih transformatora uzrokovano konstrukcijskom greškom. Kod indukovanih naponskih i kombiniranih mjernih transformatora prenaponi su mnogo češći uzrok kvara od ostalih vrsta mjernih transformatora, a razlog je najvjerovatnije nejednaka raspodjela napona uzduž primarnog namota indukovanog naponskog transformatora, bez obzira da li se radi o samostalnoj jedinici ili sastavnom dijelu naponskog transformatora. Većina kvarova se vremenski sporo razvija i tu spadaju svi oni kvarovi koji nisu otkriveni djelovanjem relejne zaštite, ali u ovu grupu kvarova ne spadaju oni koji su nastali usljed ferorezonanse i prenapona. Kod transformatora s papirno - uljnom izolacijom, kvarovi koji se sporo razvijaju imaju za posljedicu porast pritiska izolacijske tekućine. Senzorom za mjerenje pritiska moguće je jednostavno i dosta jeftino spriječiti eksploziju. Vrsta izolatora koji se koristi ima presudnu ulogu na učinke unutrašnjeg luka. Smatra se da su transformatori sa silikonskim izolatorom sigurni i pouzdani što se tiče eksplozija u pogonu. Kod mjernih transformatora izoliranih plinom SF6 zbog sabijanja plina, pravilnim električnim i mehaničkim dimenzioniranjem dijelova transformatora moguće je izbjeći eksplozije u

��

slučajevima kada luk nastaje u predjelu porculanskog izolatora. Kod ovih transformatora je karakteristično da kod pojave luka u transformatoru obavezno dolazi do prsnuća zaštitne naprave pod pritiskom i istjecanje plina u atmosferu, što u mnogim zemljama predstavlja ozbiljan ekološki problem. Pa se umjesto direktnih ispitivanja na djelovanje unutarnjeg luka predlaže novi način povećanja pouzdanosti mjernih transformatora u pogonu i ukazuje na to da se pouzdanost glavne izolacije može objektivno potvrditi u tvornici specijalnim, tipskim i rutinskim ispitivanjima. Ostaju problemi vezani uz kvarove namotaja, njihova oštećenja zbog kratkih spojeva, prodora vlage, prometa i slično. Ovi kvarovi sporo generiraju plinove koji rezultiraju porastom prtiska. Opremanjem transformatora senzorom ili sličnim ureñajem za indikaciju porasta ulja, moglo bi se na vrijeme spriječiti skoro 90 [%] ozbiljnih havarija mjernih transformatora.

3. NEKONVENCIONALNI MJERNI TRANSFORMATORI

U elektroenergetskim postrojenjima većinu naponskih i strujnih mjernih pretvarača za prilagoñivanje mjerne veličine čine naponski, odnosno strujni mjerni transformatori s feromagnetskom (željeznom) jezgrom koji se u praksi nazivaju konvencionalnim mjernim pretvaračima. Konstrukcija i načini izrade konvencionalnih naponskih i strujnih mjernih transformatora dosegnuli su svoj optimum i nisu se značajnije mijenjali u posljednih nekoliko desetljeća. Pri tome sve više dolazi do izražaja nekompatibilnost izmeñu savremenih elektroničkih mjernih instrumenata i ureñaja relejne zaštite s postojećim rješenjima strujnih i naponskih mjernih transformatora. Zbog toga je potrebna ugradnja mjernih meñu transformatora kojima se mjereni ulazni signali snižavaju na razinu prikladnu za rad elektroničkih sklopova, što za posljedicu ima povećane troškove mjernog sistema i smanjenje njegove tačnosti. Napredak tehnologije omogućio je razvoj i uporabu drugačijih vrsta mjernih pretvarača, bez feromagnetske jezgre, ili upotrebu (umjesto standardne željezne jezgre) drugih feritnih materijala koji imaju bolji odziv na brze promjene mjernih signala. U praksi se takvi mjerni pretvarači nazivaju nekonvencionalnim mjernim pretvaračima, [L5]. Motivacija za razvoj i upotrebu nekonvencionalnih transformatora (NCIT - Non Conventional Instrument transformers) posljedica je nekoliko značajnih prednosti, predviñenih od strane proizvoñača i korisnika, kao što je, [L4]:

- smanjenje cijene, - integracija prekidača i potencijalno smanjenje dimenzija podstanica, - unutarnja sigurnost, - unapreñenje karakteristika mjerenja, - pojednostavljenje instaliranja, dobivanja dozvole, podešavanja, održavanja, - te dodatne prednosti usljed razmjene digitalnih mjerenih vrijednosti.

Kao popratni dio sistema nekonvencionalnih mjernih pretvarača redovito se ugrañuju elektronički sklopovi koji su često integrirani u same mjerne pretvarače (njihova velika prednost prema konvencionalnim rješenjima). Na taj se način ostvaruje potpuna kompatibilnost s digitalnim mjernim ureñajima koji su sve zastupljeniji u sistemima mjerne i zaštitne tehnike, jer omogućuju veliku fleksibilnost glede broja i vrsta funkcija koje se pomoću njih mogu ostvariti.

Danas nekoliko potpuno razvijenih tehničkih rješenja, zasnovanih na optičkim ili hibridnim senzorima, postoje u industrijskim sektorima i predloženi su od strane nekoliko proizvoñača. Izbor tehnologije mjerenja, objašnjene u poglavlju „Osnovni senzor”, predstavlja veliki kompromis, odreñen većim brojem faktora, [L4]:

- tip podstanice : AIS ili GIS (zračna ili SF6 izolacija), - naponski nivo, - specifični zahtjevi, - i konačno cijena.

��

3.1. Fiberoptički kabel

Nekonvencionalni mjerni transformatori za prijenos informacija koriste optičke prijenosne sisteme, tj. fiberoptičke kablove. Fiberoptički kabel (optical fiber cable) je cilindrični dielektrični talasovod (svjetlovod) koji se sastoji od jednog ili više optičkih vlakana dizajniranih tako da provode svjetlost svojom dužinom koristeći totalnu unutrašnju refleksiju, [L3]. Pojava optičkih vlakna stupa na scenu u drugoj polovici prošlog stoljeća, ali istraživači su mnogo ranije počeli istraživati prijenos informacija putem svjetlosti. 1820. god. Augustine-Jean Fresnel je prvi matematičkim metodama dokazao da je svjetlost transverzalni val i objasnio polarizaciju uz tu pretpostavku. Alexander Graham Bell, 1880. god. patentira optički telefonski sistem i naziva ga Photophone. Bell je imao ideju o prijenosu signala pomoću svjetlosti kroz atmosferu kao u slučaju bakrene žice i električnog signala. Meñutim stvar je bila neostvariva zbog raspršenja svjetlosti i nepouzdanosti. Otkrivanje dualne prirode svjetlosti, te nastankom prvih lasera šezdesetih godina dvadesetog stoljeća povećala su se istraživanja u području optičkih vlakna, jer se došlo do spoznaje da se optičkom komunikacijom može prenijeti znatno viša količina podataka u odnosu na radio i telefonsku komunikaciju. Do 1970. god. izrada optičkog vlakna na udaljenosti (višu od 100m) bila je ne moguća zbog gubitaka od strane nečistoća unutar stakla koji su bili viši od 1000 (dB - decibela) po kilometru. 1970. god. na Corning Glass Works su Donald Keck, Peter Schultz i Robert Maurer uspiješno konstruisali prvo optičko vlakno dužine stotinu metara, pri čemu su snizili gubitke svjetlosti koja putuje vlaknom na 20 dB/km.

Danas optička (svjetlovodna) vlakna nalaze široku primjenu u komunikacijskoj tehnologiji, medicini, avijaciji, elektroenergetici itd., gdje se naveliko koriste za prijenos signala s velikom propusnom moći, bez većih gubitaka na višu udaljenost.

Zbog malih gubitaka i otpornosti na elektromagnetne smetnje te gotovo iste cijene po jedinici duljine, u novije vrijeme sve češće zamjenjuju upletenu bakrenu paricu. Svjetlost se zadržava u jezgri optičkog vlakna zahvaljujući potpunoj unutarnjoj refleksiji, pri čemu se optičko vlakno ponaša kao cilindrični dielektrični valovod. Vlakna koja podržavaju višestruke propagacijske putanje i načine prenošenja signala nazivaju se multimodnim (MM) optičkim vlaknima, koja se načelno upotrebljavaju za prijenos na kraće udaljenosti, za razliku od optičkih vlakna koja podržavaju samo jedan način prenošenja signala, a koja se nazivaju monomodnima optičkim vlaknima (SM). Optička vlakna ne provode električnu energiju i naponske šiljke prenapona, te se mogu koristiti u aplikacijama u kojima je potrebno galvansko odvajanje izmeñu mrežnih sistema. Izrañuju se od bezbojne plastične mase (PMMA, poli-metil-meta-akril) ili silikatnog stakla, odnosno kombiniranjem tih dvaju materijala (plastična masa ojačana silicijem, PCS, Plastic-Clad Silica vlakno). Zbog manjih gubitaka u prijenosu podataka, za veće udaljenosti koristi se uglavnom staklo.

3.1.1. Konstrukcija kabela, karakteristike, prednosti i sistem prijenosa

Optičko vlakno (eng. optical fiber) grañom je slično koaksijalnom kabelu, ali bez upredenog vanjskog vodiča. Svaki optički kabel sastoji se od tri komponente: jezgre vlakna, omotača kabela i vanjske izolacije, kao što je prikazano na slici 3.1.1.1. Jezgra vlakna ima visoka refrakcijska svojstva i debljinu izmeñu 8 i 10 µm (MM) ili 50 do 62,5 µm (SM). Omotač kabela koji obuhvata jezgru optičkog kabela ima promjer 125 µm, dok vanjska izolacija može varirati, ali standardne dimenzije vanjskog promjera su 250 µm te 900 µm. Oznaka 50/125 µm znači da kabel ima jezgru promjera 50 µm, a omotač 125 µm. Jezgra optičkog kabela ima veći index loma svjetlosti od omotača (0,5-2%), prilikom upada zrake svjetlosti na jezgru dolazi do prvog lomljenja zrake, a kad zraka stigne na granicu jezgra-omotač, ona se reflektira zbog zakona loma svjetlosti (Snellov zakon: sin α / sin β = n2/ n1).

��

Sl. 3.1.1.1. Sastav optičkog kabela

Pri tome je ugao upada jednak uglu odbijanja zbog zakona refleksije. Važno je napomenuti da je ugao upada na granici dvaju sredstava veći od kritičnog. Na taj način svjetlost nastavlja putovati kroz optičko vlakno. U idealnim uvjetima, zraka svjetlosti nastavila bi neograničeno dugo putovati kroz jezgru, ali zbog nečistoća koje postoje u materijalu jezgre dolazi do loma zrake i njen dio se gubi u omotaču slika 3.1.1.2.

Sl. 3.1.1.2.

Zaštitni omotač najčešće se izrañuje od akrilatne plastike vidljive pod UV svjetlom, a kod multimodnih optičkih vlakana vanjski omotač i ispuna znaju biti izrañeni od Kevlara (čvrsto para-armidno umjetno vlakno) i HDPE (High-density polyethylene). U procesu instalacije i priključivanja optičkih kabela, vanjski omotač se odstranjuje zbog pravilne terminacije. Optička vlakna nisu osjetljiva na elektromagnetnu i radio frekvencijsku interferenciju, ali kao i kod bakrenih, postoji izvjesno prigušenje koje može imati unutarnje (nečistoće u jezgri) i vanjske uzroke (savijanje optičkog kabela). Osim prigušenja signala javlja se i disperzija signala, tj. smanjenje propusnog opsega koja je ovisna o valnoj duljini, a može imati kromatske, meñumodne i polarizacijske uzroke. Optički odnos signal-šum (OSNR) važan je parametar o kojemu ovisi kvaliteta prijenosa signala, vezan je uz BER (Bit

��

Error Ratio) i faktor dobrote (Q) koji definira najmanji optički odnos signal/šum da se ostvari potrebni BER za dani signal. Važno je napomenuti da se vlakna obično grupiraju u kabel i zaštićuju jednim zajedničkim vanjskim omotačem. Slika 3.1.1.3. prikazuje kabel sa tri vlakna.

Sl.3.1.1. 3. Presjek optičkog kabela sa tri vlakna

Sistemi prijenosa sa optičkim kablovima se sastoje iz tri osnovna funkcionalna dijela, a to su predajnik (izvor svjetlosti: LED ili laserska dioda), optičko vlakno i prijemnik (fotosenzor), slika 3.1.1.4.

Sl. 3.1.1.4. Struktura linije za prenos digitalnih signala po svjetlovodima

Ulazni električni signal nakon obrade, pri čemu se usklañuju karakteristike predajnog signala sa karakteristikom linije za prijenos, dovodi se na pobuñivač izvora svjetlosti, lasersku

��

ili LED diodu, koje vrše konverziju u optičke signale koji se prenose optičkim vlaknom do prijemnika, detektora svejtlosti (fotodetektor: PIN ili lavinske fotodiode) gdje se vrši opto-električna konverzija, pri čemu se dobiva izlazni električni signal, [L9], [L11].

Brzina kojom se svjetlost prenosi kroz ove kablove je veoma velika (oko 200.000 km/s), a prijenos informacija koji su izraženi u Gbit/s teoretski iznosi preko 50.000 Gbit/s (50 Tbit/s), meñutim zbog nedovoljno razvijene popratne opreme punu brzinu prijenosa optičkog vlakna još nije moguće iskoristiti, tako da se brzine prijenosa kreću do 10Gbit/s, iako su u nekim laboratorijima postignute brzine i do 111 Gbit/s. Frekventni prijenosni opseg pomnožen sa prijenosom udaljenosti iznosi od 1 do 100 GHzkm. Signal mogu prenositi na udaljenosti od 80 km do 140 km bez regeneracije signala. Regeneracija signala se vrši u optičkim pojačalima, koja se nalaze izmeñu izvora signala i njegove destinacije, [L8]. Pored navedenih, bitne su i slijedeće prednosti koje nude pomenuti prijenos informacija, [L3], [L10]:

- imunost na elektromagnetne uticaje, - nema meñusobnih smetnji, - idealni su za prijenos digitalnih informacija, - visoka električna otpornost, što ih čini pogodnim za korištenje u blizini visokog

napona ili izmeñu područja različitih potencijala, - mehanička fleksibilnost, što se koristi za fleksibilne kamere u medicini, inspekciji

kvarova u mašinama, cijevima, inspekcija odvoda, itd., - nema opasnosti od iskri, što je bitno u zapaljivoj sredini, - nema radioaktivnosti, - mala težina, manje dimenzije, - bezbjedan način prenošenja podataka, jer optički kablovi ne mogu da prenose

električne impulse pa se i ne mogu prisluškivati, a podaci su bezbjedni od krañe.

3.2. Polarizovana svjetlost

Optika je dio fizike koja proučava svjetlost i svjetlosne pojave. Svjetlost je elektromagnestski val koji se transfezalno prostire kroz vakum koja je valne duljine od oko 380nm do 780nm, [L3], [L14]. Sve do sredine XVII stoljeća vjerovalo se da se svjetlost sastoji od mlaza čestica. Ove čestice su emitirane od svjetlosnih izvora (sunce, plamen svijeće, itd.) One mogu da proñu kroz providne tvari i odbijaju se od površine neprozirnih predmeta. Kada čestice dospiju do oka, izazivaju osjećaj viñenja. Ova teorija je poznata kao korpuskularna teorija i njen tvorac je bio I. Newton. Korpuskularna teorija uspješno objašnjava eksperimentalne činjenice kao što su pravocrtno prostiranje svjetlosti, zakone odbijanja i prelamanja na graničnim površinama.

1670. god. C. Huygens pokazuje da se zakoni odbijanja i prelamanja mogu objasniti na bazi valne teorije, koja u to vrijeme nije bila prihvaćena. Jedan od razloga da se odbaci valna teorija slijedio je iz osobine valova da zaobilaze prepreke, što je u tom dobu bilo u suprotnosti sa zakonom o pravolinijskom prostiranju svjetlosti. Eksperimenti T. Younga i A. Fresnela 1827. god. pokazali su da se interferencija svjetlosti ne može objasniti korpuskularnom teorijom. Pojave interferencije i difrakcije mogu se objasniti jedino valnom prirodom svjetlosti. Veliki korak u razvoju teorije svjetlosti dao je J. C. Maxwell koji je teorijski 1873. god. pokazao da titrajući električni krug zrači elektromagnetske valove čija je brzina oko 3 108 m/s, što odgovara eksperimentalno odreñenoj brzini svjetlosti, [L14]. Prema tome, u pogledu fundamentalne prirode nema razlike izmeñu svjetlosnih valova i ostalih elektromagnetskih valova.

Pošto su elektromagnetski valovi transfezalni, istovremeno, svjetlosni valovi ne pokazuju asimetriju u odnosu na pravac prostiranja zrake. To je uvjetovano time što je prirodna svjetlost sastavljena od oscilacija koje se vrše u najrazličitijim smjerovima koji su okomiti na

��

zraku svjetlosti, slika 3.2.1. Transferzalna priroda svjetlosnog talasa je sasvim drugačija od ostalih transferzalnih talasa. Za razliku od transferzalnog vibriranja nategnute žice, naprimjer, svjetlosne vibracije se mogu dešavati u više ravni istovremeno. Takva svjetlost naziva se nepolarizovana svjetlost. Sunce, plamen svijeće, sijalica emituju nepolarizovanu svjetlost. Ovkav transferzalni talas je teško vizuelirati, pa je od pomoći nepolarizovanu svjetlost predstaviti sa samo dvije vibracije, jednu u horizontalnoj, drugu u vertikalnoj ravni, [L3].

Svejtlosni val sastavljen od velikog broja valnih nizova, koje ispuštaju pojedini atomi, ravan osciliranja za svaki niz, orjentisana je na slučajan način. Zbog toga su u rezultirajućem valu oscilacije različitih smijerova predstavljene sa jednakom vjerovatnošću. Svjetlost kod koje su smijerovi oscilacija sreñeni odnosno slijede neku pravilnost kažemo da je ta svjetlost polarizovana, [L3], [L14], [L15]. Ovaj proces je poznat pod nazivom polarizacija svjetlosti.

Postoji više načina polarizacije svjetlosti, [L3]: - polarizacija uz pomoć polaroid filtera, - polarizacija pri refleksiji svjetlosti, - polarizacija pri prelamanju, - polarizacija prilikom prostiranja kroz medij.

Ako se oscilacije svjetlosnog vektora vrše samo u jednoj ravni, svjetlost se zove ravno ili linearno polarizirana. Ravan u kojoj oscilira svjetlosni vektor (vektor jačine električnog polja ), zove se ravan osciliranja. Ako vektor rotira oko pravca prostiranja zrake njegov vrh gledano u pravcu prostiranja zrake može da opisuje elipsu, pa je takva svjetlost naziva eliptično polarizovana. Ako pri rotiranju vektora njegov vrh opisuje kružnicu takva svjetlost naziva se kružno polarizovana. U opštem slučaju vektor električnog polja svjetlosnog talasa može da se razloži na dvije meñusobno normalne komponente ,

tj. komponente u pravcu x i y – ose, tako vektor električnog polja može da se predstavi kao:

Prema ovome, svaki svjetlosni talas predstavljen promjenom svog električnog polja može da se razložiti na dva meñusobno normalna linearno polarizovana talasa čiji su talasni vektori .

3.2.1. Polarizacija uz pomoć polaroid filtera i Malusov zakon

Prirodna svjetlost može da bude potpuno nepolarizovana mada je svjetlost najčešće djelimično polarizovana. Polarizatori ( polaroidi) su optičke komponente ili optički elementi koji služe da se od nepolarizovane svjetlosti pretvori u polarizovanu ili da se pretvori svjetlost jednog tipa polarizacije u svjetlost drugog tipa polarizacije, [L15]. Najčešče koriščeni polarizatori su oni koji linearno polarizuju svjetlost pa će se u narednom dijelu teksta pod pojmom polaroida ili polarizatora oni podrazumijevati.

Svaki polarizator koji linearno polarizuje svjetlost ima svoju optičku osu. Ona pokazuje pravac duž koga treba da ociluje električno polje svjetlosnog talasa da bi takav talas mogao da proñe kroz taj polarizator ili polaroid. Na slici 3.2.1.1. je prikazano propuštanje potpuno nepolarizovane svjetlosti kroz polaroid. Obična, nepolarizovana svjetlost intenziteta I0

pada na polaroid. Tada po prolasku kroz polaroid izlazi polarizovana svjetlost intenziteta I koja je linearno polarizovana i vektor električnog polja osciluje u pravcu optičke ose polaroida. Intenzitet svjetlosti I koja je propuštena kroz polaroid u ovom slučaju je jednaka:

��� ���� ��

��

��� ��������Propuštanje potpuno nepolarizovane svjetlosti kroz polaroid

Na slici 3.2.1.2. je prikazano kako svjetlost koja je potpuno nepolarizovana prolazi kroz polaroid i postaje polarizova i osciluje u pravcu optičke ose prvog polaroida. Ta polarizovana svjetlost po prolasku kroz prvi polaroid ima intenzitet I0 i pravac oscilovanja vektora

zaklapa ugao θ sa vertikalnom y-osom. Ova polarizovana svjetlost zatim prolazi kroz drugi polaroid koji se naziva analizator i čija je optička osa u pravcu y-ose. Po prolasku kroz ovaj polaroid svjetlost ima intenzitet I. Ukoliko se posmatra samo propuštanje polarizovane svjetlosti kroz drugi polaroid. Vektor električnog polja polarizovnog talasa može se razložiti na dva vektora, jedan koji je paralelan optičkoj osi drugog polaroida (tj. koji je u

pravcu y-ose) i drugi normalan na pravac optičke ose polaroida Samo talas čiji je vektor

električnog polja može da proñe kroz polaroid.

Sl. 3.2.1. 2. Propuštanje potpuno nepolarizovane svjetlosti kroz dva polaroida

��

Na osnovu slike 3.2.1.3. je očigledno da je modul vektora jednak:

Ako je amplituda vektora , jednaka E0 tada je amplituda vektora

koja se obilježava sa prema izrazu (41.) jednaka je:

Kako je intenzitet svjetlosti srazmjeran amplitudi vektora električnog polja, to je intenzitet polarizovane svjetlosti I po prolasku kroz drugi polaroid jednak:

Izraz (44.) predstavlja Malusov zakon koji kaže da je intenzitet polarizovane svjetlosti I po prolasku kroz polaroid jednak proizvodu

intenziteta polarizovane svjetlosti I0 prije nailaska na polaroid i kvadrata kosinusa ugla θ koji

osa polaroida zaklapa sa ravni oscilovanja električnog vektora upadne polarizovane svjetlosti. Na osnovu izraza (44.) je očigledno da

intenzitet svjetlosti I može da varira od 0 do I0 u zavisnosti od ugla θ. Kada je ugao θ jednak

nula tj. kada se pravac oscilovanja električnog vektora polarizovane svjetlosti i osa polaroida poklapaju tada sva upadna svjetlost prolazi kroz polaroid. Kada je ugao θ=π/2 tj. osa polaroida je normalna na pravac oscilovanja električnog polja tada je intenzitet svjetlosti po prolasku kroz polaroid I=0 . Na taj način okretanjem polaroida i mijenjanjem ugla θ moguće je mijenjanje intenziteta propuštene svjetlosti kroz polaroid, od potpunog ′′gašenja ′′(kada je I=0) do potpunog propuštanja (I= I 0). Na taj način se može utvrditi da li je svjetlost potpuno polarizovana, pa se zato drugi polaroid sa slike naziva i analizator, jer služi za analizu da li je neka svjetlost polarizovana.

Ako propuštamo svetlost kroz polaroid i okrećemo polaroid tako da mijenjamo θ od 0-2π propuštena svjetlost će dva puta biti maksimalnog intenziteta (za θ=0 i θ=π), a dva puta će joj intenzitet svjetlosti biti 0 (za θ=π/2 i θ=3π/2). Ako potpuno nepolarizovana svjetlost proñe kroz polaroid intenzitet propuštene svjetlosti se neće mijenjati pri okretanju polaroida. U slučaju djelimično polarizovane svjetlosti, svjetlost će u toku okretanja polaroida imati dva puta neki maksimalan intenzitet Imax

i dva puta minimalan Imin, ali taj minimalan intenzitet će

biti veći od nule tj. neće biti potpunog gašenja svjetlosti. Da bi se odredilo koliko je svjetlost polarizovana odreñuje se stepen polarizacije koji je

dat jednadžbom:

gdje je Imax - maksimalni intenzitet propuštene svjetlosti kroz polaroid, a Imin - minimalni intenzitet propuštene svjetlosti kroz polaroid pri njegovom rotiranju. Na osnovu izraza je očigledno da je stepen polarizacije potpuno polarizovane svjetlosti 1., potpuno nepolarizvane 0, a djelimično polarizovane svetlosti izmedju 0 i 1, [L15] .

3.2.2. Polarizacija pri refleksiji (odbijanju) i prelamanj u

Ako upadni ugao svjetlosne zrake koja pada na granicu dvije sredine indeksa prelamanja n1 i n2 nije jednak nuli, odbijena i prelomljena zraka su djelimično polarizovane. U odbojnoj zraci preovladavaju oscilacije koje su okomite na upadnu ravan i označene su na slici 3.2.2.1.

��� ��������

��

Sl. 3.2.2. 1.

U prelomnoj zraci dominiraju oscilacije koje su paralelne sa upadnom ravni i označene su dvostrukim strelicama. Stepen polarizacije zavisi od upadnog ugla, pri čemu upadni ugao zadovoljava uvijet:

gdje je n21 index prelamanja druge sredine u odnosu na prvu, odbijena zraka je potpuno polarizovana.

Stepen polarizacije prijelomne zrake, za upadni ugao koji je jednak αB dostiže najveću vrijednost, ali ova zraka je djelimično polarizovana. Jednadžba (46.) naziva se Brewsterov (Buster) zakon. Ugao αB naziva se ugao potpune polarizacije ili Brewsterov ugao. Ugao β je ugao loma, dok ugao γ predstavlja ugao refleksije ili odbijanja.

Stepen polarizacije odbijene i prelomljene zrake za različite upadne uglove dobiva se rješavanjem Maxwellovih jednadžbi, [L14].

3.2.3. Polarizacija svjetlosti prilikom prostiranja kroz m edij

Polarizacija svjetlosti se takoñe dešava i prilikom njenog prostiranja kroz medij. Kada svjetlosni talas naiñe na atom u nekom mediju, vrlo često se dešava pobuñivanje elektrona koje kasnije rezultira emitovanjem svjetlosti (fotona) u svim pravcima. Nova svjetlost nastavlja sa pobuñivanjem ostalih elektrona i tako se proces nastavlja lančano.

Ovaj proces npr. doprinosi stvaranju plavetnila neba kada sunčeva svjetlost prolazi kroz atmosferu. Ukoliko je materijal izotropan (ima jednaka fizička svojstava u svim pravcima) nema procesa polarizacije svjetlosti. Meñutim, kako to nerijetko nije slučaj prilikom prostiranja svjetlosti kroz transparentne anizotropne materijale dolazi do njene postepene polarizacije.

��

Posljedica ovog procesa prilikom prostiranja sunčeve svjetlosti u atmosferi jeste blještavilo neba koje nam nerijetko pokvari fotografiju.

Zbog toga profesionalni fotografi koriste polaroid filtere koji eliminišu blještavilo i tako dobivaju prekrasnu plavu boju neba na svojim fotografijama, jedan takav polaroid prikazan je na slici 3.2.3.1.

Kako na fizička svojstva nekih materijala djeluje prisustvo električnog i magnetnog polja, ova vrsta polarizacije se može koristiti za mjerenje njhove jačine. Ova pojava se dešava i koristi u pasivnim mjernim sistemima kao npr. (Kerrov efekat i Pockelsov efekat za električno polje, a Faradejev efekat za magnetno polje), [L3].

4. PASIVNI I AKTIVNI MJERNI SISTEMI

Nekonvencionalni sistemi mjerenja mogu se podijeliti u dvije osnovne grupe:

- pasivni mjerni sistemi i - aktivni mjerni sistemi

Zajedničko i za jedan i za drugi mjerni nekonvencionalni sistem je korištenje optičkih prenosnih sistema, zbog čega se ovi nekonvencionalni transformatori nazivaju i optički mjerni transformatori.

4.1. Pasivni mjerni sistemi

Pasivni mjerni sistemi nemaju na visokonaponskoj strani aktivnu elektronsku opremu za modulaciju signala. Noseći optički signal se sa potencijala zemlje prenosi na visokonaponsku (VN) stranu. Tamo se moduliše uz pomoć pasivnih pretvarača informacijom o mjernoj veličini. Zatim se modulisani signal vraća na potencijal zemlje gdje se vrši dalja obrada. Umjesto direktnog mjerenja odreñene veličine, mogu se mjeriti promjene fizičkih osobina nekih materijala pod dejstvom električnog ili magnetnog polja u kome se nalaze. U posebnu grupu pasivnih mjernih sistema spadaju principi koji se baziraju na promjenama optičkih karakteristika nekih materijala pod dejstvom električnog ili magnetnog polja u kome se nalaze, [L3]:

- Kerr efekat, - Pockels efekat, - Faraday efekat.

Svaki od ovih sistema se oslanja na razne mehanizme kojima materijal zakreće polarizovanu svjetlost koja prolazi kroz njega. Ugao rotacije zavisi od električnog ili magnetnog polja u kome se nalazi materijal. Performanse pojedinih sistema uglavnom su odreñene mogućnošću mjerenja promjena u polarizaciji svjetlosti. Svjetlost se do dijelova pod visokim naponom može dovesti i vratiti nazad:

- optičkim kablovima ili - sistemom lasera i odgovarajućih prizmi ili ogledala.

Za mjerenje struje u nekonvencionalnim mjernim transformatorima može se iskoristiti Hall efekat.

Sl. 3.2.3. 1. Polaroid filter, [L21]

��

4.1.1. Kerr efekat

Neki materijali mijenjaju svoje optičke osobine kada se izlože djelovanju električnog polja E. To se fizikalno objašnjava činjenicom da pod uticajem električnog polja dolazi do pojave sila koje mijenjaju položaje i orijentaciju molekula unutar materijala, tako da može doći do promjene indeksa prelamanja svjetlosti n datog materijala. Ovu pojavu, da je n = f(E), nazivamo elektrooptičkim efektom, a materijale koji imaju ovu osobinu – elektrooptičkim materijalima. Elektrooptički efekat nastaje kada na dati elektrooptički materijal priključimo istosmjerni ili naizmjenični napon (niske frekvencije), slika 4.1.1.1. U tom slučaju, u anizotropnom elektrooptičkom materijalu se pojavljuje električno polje koje mijenja njegov indeks prelamanja svjetlosti, a time dolazi i do polarizacije svjetlosti. Ako se indeks prelamanja svjetlosti mijenja proporcionalno kvadratu električnog polja, tada govorimo o kvadratnom elektrooptičkom efektu (Kerr effect), znači Kerr efekat je osobina transparentnih materijala da u prisustvu električnog polja postaju dvoosni, mada su u odsustvu polja jednoosni, [L3], [L17]. Efekat je 1875. godine otkrio škotski fizičar John Kerr, po čemu je efekat i dobio ime.

Sl. 4.1.1. 1. Stacionarno elektricno polje mijenja indeks prelamanja svjetlosti

To znači da se svjetlosni talas koji ulazi u ovakav materijal dijeli u dva talasa koji se prostiru različitim brzinama, a to opet znači da imaju dva indeksa loma n1 i n2:

gdje je c brzina svjetlosti u vakumu, a v1 i v2 brzine razdijeljenih talasa svjetlosti u materijalu sa dvostrukim indeksom loma u prisustvu električnog polja.

Sl. 4.1.1. 2.

��

Veličina koja karakterizira ovu pojavu je razlika izmeñu ova dva indeksa loma ∆n:

Promjena ∆n je proporcionalna kvadratu električnog polja te se iz tog razloga ovaj efekat naziva kvadratni elektrooptički efekat i može se opisati jednadžbom:

gdje su: λ0 - talasna dužina svjetla; K - Kerrova konstanta; E - jačina električnog polja. Njegova tipična vrijednost iznosi od 10-18 do 10-14 m2/V2 u kristalima i 10-22 do 10-19

m2/V2 za tečnosti. Tako npr., za E = 106 V/m iznosit će 10-6 do 10-2 u kristalu i 10-10 do 10-2 u tečnosti.

Dakle, mjerenjem ∆n može se odrediti napon U na Kerrovoj ćeliji (Kerr elementu). Meñutim, zbog kvadratne ovisnosti od napona Kerrove ćelije nisu najpogodne za mjerenje. Svi transparentni materijali ispoljavaju Kerrov efekat, ali neke izotropne (jednakih fizičkih svojstava u svim pravcima) tečnosti ga iskazuju mnogo jače nego ostali materijali, kao naprimjer nitrobenzol (C6H5NO2), pa imaju jako velike vrijednosti Kerr-ove konstante. Staklena ćelija napunjena takvim tečnostima naziva se Kerrova ćelija. Kako Kerrov efekat ima ekstremno brz odziv (praktično trenutan) na promjene električnog polja, Kerrove ćelije se često koriste za modulaciju svjetlosti. Svjetlost pomoću ovih ureñaja može biti modulirana pri frekvencijama do 10 GHz. Problem je toksičnost i eksplozivnost nitrobenzola. Zbog veoma kratkog vremena odziva Kerr elementi se najčešće koriste kao “klapne” u ultra brzim kamerama, [L3].

4.1.2. Pockels efekat

Pockel-ov efekat je elektrooptički efekat koji objašnjava uticaj električkog polja na providne kristale i sličan je Kerr-ovom efektu. Dakle, električno polje stvara razliku potencijala, koja nastaje zbog fazne razlike dva polarizirana vala koji su meñusobno fazno pomaknuti i čije su polarizacijske ravnine meñusobno okomite, [L7]. Ako se index prelamanja svjetlosti mijenja proporcionalno jačini električnog polja, odnosno napona na Pockelsovom elementu (∆n=kU), tada govorimo o linearnom elektrooptičkom efektu (Pockels effect). Efekat je 1893. godine proučavao Friedrich Carl Alwin Pockels, po kojem nosi ime. Ovu osobinu imaju piezoelektrični kristali čija kristalna rešetka nema centar simetrije. Kao osjetilne ćelije upotrebljavaju se kristali litij-kalcij-aluminij-heksafluorida (LiCAF), litij-stroncij-aluminij-heksafluorid (LiSAF), bizmut-silicij oksid (BSO), bizmut-germanij oksid (BGO) i sl. Kristali su relativno malih dimenzija, volumena reda veličine nekoliko kubičnih centimetara. Pockelsove ćelije se izrañuju na sličan način kao Kerrove i mogu se upotrebljavati u transverzalnoj konfiguraciji (tzv. Frekvencijski modulatori) ili longitudinalnoj konfiguraciji (tzv. amplitudni modulatori). Kod transverzalne konfiguracije svjetlosni snop je okomit na smjer vektora električnog polja, a kod longitudinalne konfiguracije smjer svjetlosnog snopa podudara se s smjerom vektora električnog polja (električno polje primjenjeno na kristal podužno i poprečno u odnosu na snop svjetlosti), ako je polje poprečno, potrebe za naponom mogu biti smanjene produživanjem kristala, a ako je električno polje podužno, takve ćelije trebaju prstenaste elektrode. U praksi se češće upotrebljavaju Pockelsove ćelije u longitudinalnoj konfiguraciji. Upotreba Pockelsove ćelije u transverzalnoj i longitudinalnoj konfiguraciji će biti detaljnije objašnjena i opisana u poglavlju strujnih i naponskih nekonvencionalnih naponskih mjernih transformatora. Promjenjivo polje u kojem se nalazi kristal uzrokuje promjene jakosti efekta čija je posljedica nastanak dvaju valova koji su meñusobno okomito polarizirani i meñusobno su pomaknuti u fazi. Taj pomak na kraju kristala uzrokuje promjene u eliptičnosti. Promjena eliptične polarizacije svjetlosti očituje se kao promjena u intenzitetu na izlazu iz kristala i prolasku kroz analizator slika 4.1.2.1.

��

Sl. 4.1.2.1. Linearno polarizirana zraka koja ulazi u kristal nakon prolaska kroz polarizator (lijevo) i eliptično polarizirana zraka nakon prolaska kroz kristal (desno)

Napon koji stvara električno polje izmeñu dvije tačke unutar područja djelovanja polja dobije se integracijom prema izrazu:

gdje su a i b tačke izmeñu kojih se računa razlika potencijala, a Ex polje u smjeru x osi. Ako se zbog nehomogenosti polja integral iz izraza (50.) aproksimira diskretnim vrijednostima unutar nekih konačnih područja stvorenog električnog polja, dobiva se izraz:

u kojemu je udio u sumiranju napona, Ei diskretno polje na i-tom djelu raspodjele polja, a širina diskretnog područja djelovanja polja Ei. Aproksimirane diskretne vrijednosti predstavljaju područja unutar kojih se postavljaju mjerne sonde i na temelju mjerenja odreñenog broja sonda, zaključuje se vrijednost mjerenog napona. Retardacija u Pockelsovu efektu može se prikazati sljedećim izrazom:

u kojem je fazna razlika svjetlosti inducirana u kristalu (retardacija), valna duljina svjetlosti, koeficijent loma optičkog kristala, r linearni elektrooptički koeficijent optičkog kristala, E električno polje i l duljina kristala.

Linearni elektrooptički koeficijent kristala r je tenzor koji se, zbog vrlo složenog načina odreñivanja njegove vrijednosti primjenom matematičkog modela, u praksi najčešće odreñuje mjerenjem. Intenzitet polarizirane svijetlosti l nakon prolaska kroz analizator iznosi:

gdje je intenzitet svjetlosti na ulazu u kristal, kut izmeñu polarizacijskih osi polarizatora i kristala, koeficijent zakreta kristala (o/mm), duljina kristala i fazna razlika svjetlosti inducirana u kristalu.

4.1.3. Faradey efekat

Michael Faradey (1791-1867), roñen je na selu u blizini Londona u kovačkoj porodici. Njegova porodica bila je previše siromašna da bi ga školovala, te je sa trinaest godina počeo raditi u knjižari. Godinu kasnije napredovao je i postao knjigovezac. Za period od sedam godina Faradey nije samo vezao knjige već je mnoge od njih i pročitao koje su u njemu

probudilemandat” Davyzaposlen u knjižariotkrio ostao zapisan i u njegovom„Danas sam radio sa linijama (silnicama) magnetske sile, usmjeravajuu isto vrijeme polariziranu tijela te je kasnije ispitivaNakon što je opisao nekoliko negativnih rezultata u kojima je svjetlosna zraka prolazila kroz zrak i neke druge istog dana u dnevniku piše:„Komad stakla, dimenzija 2 inkoji je ispoliran na kra

Nije bilo nikakvih efekata kada su isti magnetski polovi odnosno suprotni magnena suprotnim stranama (u odnosu na smjer polarizirane zrake)na istoj strani, neovisno od toga da li je struja bila konstantna ili intermitirajuali kada su suprotni magnetski polovi bili na istzraci, te stoga se dokazala veza izmenajvjerovatnije pokazati zaista bitnom i od velike važnosti u ispitivanjima oba stanja prirodne sile, [L4].”

Faradey-ev efekat je magnetskprovidne optičke medije i kao posljedicu toga, promjene osobina svjetlosti koja prolazi kroz taj medij, znači predstavlja interakciju izmemijenja put elektrona obuhvatajuuticaja na polarizaciono stanje monohromatske svjetlosti koja se rasprostire u istom pravcu kao i magnetsko polje. Faradeyponištava simetriju rasprostiranja polarizirane svjetlosti pozitivnog ili negativnog smjera rasprostiranja, odnosno indeks prelamanja svjetlosti dvije polarizacije postaje razliprisustvu magnetskog polja.

Sl. 4.1.3. 2. Cilindri

Ukoliko je, na primjer, cilindrimagnetskom polju koja je paralelnmaterijal, ona ravan polarizacije svjetlosti rotira prema

��� � �������Michael Faradey

��

probudile veliku želju za naukom. Kada je njegov „sedmogodišnji mandat” istekao, prijavio se za posao asistenta Sir Humphry Davy-a, poznatog hemičara, čija je predavanja slušao dokzaposlen u knjižari, [L4]. Trinaestog septembra 1845. Faradey je otkrio magnetskooptički efekt koji nosi njegovo ime.ostao zapisan i u njegovom dnevniku gdje piše:„Danas sam radio sa linijama (silnicama) magnetske sile, usmjeravajući ih kroz različita tijela (providna u svim pravcima) i u isto vrijeme polariziranu svjetlosnu zraku sam propuštao kroz ttijela te je kasnije ispitivao,[L4].” Nakon što je opisao nekoliko negativnih rezultata u kojima je svjetlosna zraka prolazila kroz zrak i neke druge istog dana u dnevniku piše: „Komad stakla, dimenzija 2 inča sa 1,8 inča i 0,5 inkoji je ispoliran na kraćim ivicama, korišten je u expe

Nije bilo nikakvih efekata kada su isti magnetski polovi odnosno suprotni magnena suprotnim stranama (u odnosu na smjer polarizirane zrake) – niti kada suna istoj strani, neovisno od toga da li je struja bila konstantna ili intermitirajuali kada su suprotni magnetski polovi bili na istoj strani, javio se efekat na polariziranoj

zala veza izmeñu magnetske sile svjetlosti. Ova najvjerovatnije pokazati zaista bitnom i od velike važnosti u ispitivanjima oba stanja prirodne

t je magnetskooptički efekat koji opisuje uticaj magnetskog pi kao posljedicu toga, promjene osobina svjetlosti koja prolazi kroz

i predstavlja interakciju izmeñu svjetlosti i magnetnog poljamijenja put elektrona obuhvatajući medij, što zahtijeva kružno dvojno prelamanje zraka i ima

caja na polarizaciono stanje monohromatske svjetlosti koja se rasprostire u istom pravcu Faradey-ev efekat je posljedica činjenice da mag

poništava simetriju rasprostiranja polarizirane svjetlosti pozitivnog ili negativnog smjera rasprostiranja, odnosno indeks prelamanja svjetlosti dvije polarizacije postaje razli

. Cilindrična staklena šipka podvrgnuta magnetskom polju

Ukoliko je, na primjer, cilindrična staklena šipka dužine d (slika 4.1.3.2.)je paralelna zraki svjetlosti koja je linearno polarizovana na ulazu u

materijal, ona ravan polarizacije svjetlosti rotira prema jednadžbi:

njegov „sedmogodišnji a posao asistenta Sir Humphry

ija je predavanja slušao dok je bio ptembra 1845. Faradey je

ki efekt koji nosi njegovo ime. Ovaj dan je dnevniku gdje piše:

„Danas sam radio sa linijama (silnicama) magnetske sile, ita tijela (providna u svim pravcima) i

svjetlosnu zraku sam propuštao kroz ta

Nakon što je opisao nekoliko negativnih rezultata u kojima je svjetlosna zraka prolazila kroz zrak i neke druge materije, Faradey

a i 0,5 inča debljine, im ivicama, korišten je u experimentima.

Nije bilo nikakvih efekata kada su isti magnetski polovi odnosno suprotni magnetski plovi bili niti kada su isti polovi bili

na istoj strani, neovisno od toga da li je struja bila konstantna ili intermitirajuća (prekidna); oj strani, javio se efekat na polariziranoj

svjetlosti. Ova činjenica će se najvjerovatnije pokazati zaista bitnom i od velike važnosti u ispitivanjima oba stanja prirodne

caj magnetskog polja na i kao posljedicu toga, promjene osobina svjetlosti koja prolazi kroz

u svjetlosti i magnetnog polja. Magnetsko polje i medij, što zahtijeva kružno dvojno prelamanje zraka i ima

caja na polarizaciono stanje monohromatske svjetlosti koja se rasprostire u istom pravcu injenice da magnetsko polje

poništava simetriju rasprostiranja polarizirane svjetlosti pozitivnog ili negativnog smjera rasprostiranja, odnosno indeks prelamanja svjetlosti dvije polarizacije postaje različit u

podvrgnuta magnetskom polju

(slika 4.1.3.2.) podvrgnuta i svjetlosti koja je linearno polarizovana na ulazu u

��

gdje su:

V – Verdetova konstanta, φ – ugao rotacije, H – jačina magnetnog polja.

4.1.3.1. Verdetova konstanta

Verdet-ova konstanta (V) je mjera snage efekta, razlikuje se u različitim materijalima i mijenja se sa valnom dužinom svjetlosti. Ovisnost Verdet-ove konstante i valne dužine o indeksu prelamanja ovisi o prirodi medija: da li je poluprovodnik, dijamagnetik, paramagnetik, feromagnetik itd. Stoga precizno kvantnomehaničko računanje zahtijeva upotrebu metoda kvantne teorije čvrstih tijela. Jednostavno, poluklasično, polukvantnomehaničko, je objašnjene koje sadrži ključne fizikalne komponente i rezultuje podacima koji su istog reda veličine kao i stvarni podaci. Ova konstanta predstavljena je jednadžbom:

4.1.3.2. Amperova teorema

Amperova teorema omogućava da se Faradayev efekat primjeni za mjerenje struje umjesto magnetnog polja. Ako svjetlosni zrak pravi puni krug oko vodiča sa strujom, integracijom duž puta, Faradayev ugao postaje proporcionalan struji:

Upotrebom Amper-ove teoreme, pokazuje se mogućnost potencijalnog mjerenja struje, neovisnog o:

- ne kružnim vodičima, - poziciji vodiča u optičkom krugu, - varijacijama geometrije kruga, oscilatornim kretanjima, termičkim širenjima itd.

4.1.4. Hall efekat

Hall-ov efekat otkrio je E.H. Hall 1879. god. koji je posljedica Lorentzove sile, [L3]. Ako električna struja I protiče kroz vodljivu pločicu debljine l koja se nalazi u magnetskom polju B, magnetsko polje djeluje na nosioce naboja u pločici prema Lorentzovu pravilu:

Prema tom pravilu, na naboj djeluje magnetska, Lorentzova sila, okomita na smjer magnetskog polja i smjer struje, koja uzrokuje nakupljanje naboja na jednoj strani pločice. Pod uticajem ove sile dolazi do neravnomjerne distribucije praznina u kristalnoj rešetci provodnika što se manifestuje kao pojava poprečnog električnog polja odnosno Hall-ovog napona (UH) koji je mjerljivi na rubovima pločice, [L3], [L7]:

gdje je: I - jakost električne struje koja prolazi kroz pločicu zbog dovoñenja nosioca naboja, B - jakost magnetskog polja u kojem se pločica nalazi, n - gustoća mobilnih nosioca naboja, q - iznos elementarnog naboja i l - debljina pločice.

��

���� ���� � ��Prikaz Hall-ovog efekta

Hall-ov napon neposredno je proporcionalan magnetskom polju B koje stvara mjerena struja, pa su sonde pogodne i za mjerenje istosmjernih struja. Tim postupkom mogu se mjeriti istosmjerne struje do 100 kA, uz grešku mjerenja od ±10-3. Za mjerenje izmjeničnih struja potrebni su dodatni elektronički sklopovi za pretvorbu signala u digitalne oblike i daljnju obradu. Hall sonde proizvode se od poluvodičkih elemenata (iridij, iridij-arsen itd.) i vrlo su malih dimenzija, reda veličine nekoliko kubnih milimetara. Zbog toga su mjerni senzori s Hall sondama najčešće izvedeni kao zaliveni termootporni plastični kvadri koji u sebi imaju otvor kružnog presjeka kroz koji se provlači vodič. S obzirom na to da su to poluvodičke komponente, često se u jednoj sondi mogu integrirati i analogno digitalni pretvarači, temperaturni kompenzatori, kompenzatori histereze, [L7]. Hall senzor je smješten u šupljini. Mjerena struja protiče kroz sekundarne namote, smještene oko magnetskog kruga s ciljem balansiranja nultog magnetskog polja. Ovakva verzija omogućava veoma precizno mjerenje struje u DC i AC visokofrekventnim aplikacijama. Shematski prikaz komponente očitanja dat je na slici 4.1.4.2.

Sl. 4.1.4. 2. Shema komponente očitanja � ���� � Špula Rogowskog

Špula Rogowskog je toroidalni namotaj sa nemagnetnim jezgrom postavljen oko provodnika kroz koji protiče mjerena struja (slika 4.1.5.1.). Služe za pretvorbu mjerene struje u naponski signal, pogodan za daljnju obradu. Promjenljivo magnetno polje koje stvara struja indukuje napon u namotaju i on je izlazni signal koji je proporcionalan promjeni (derivaciji, izvodu) struje (∂i/∂t), [L3], [L4], [L7]. Špula Rogowskog konstrukcijski je najjednostavnija, jeftinija i prikladnija za mjerenje širokog raspona struja različitih frekvencija, a tradicionalno

��

se upotrebljava za mjerenje vrlo velikih struja. Mjerenje struje ostvaruje se mjerenjem napona induciranog u torusu svitka nastalog zbog mjene magnetskog toka u namotu koji stvara mjerena struja Im prema Lentzovu pravilu.

Sl. 4.1.5. 1. Rogowski namotaj, [L7]

Ako se pretpostavi da je namotaj namotan na torusnu jezgru pravouglog presjeka s N namota, kako je to prikazano na slici (4.1.5.2.), onda će promjena struje u primarnom vodiču čija se struja mjeri uzrokovati promjenu magnetskog toka u torusu unutar namota. Promjena magnetskog toka unutar zavoja namota uzrokovat će indukciju napona prema izrazu:

∂

∂

gdje je:

e - ukupni inducirani napon u cijelom namotu, N - broj namota, ∂ - promjena toka unutar jednog namota te ∂t promjena vremena.

Promjena toka koja uzrokuje indukciju napona u namotu posljedica je promjene struje kroz primarni vodič. Zbog nejednake preraspodjele toka na različitim udaljenostima od vodiča, potrebno je promatrati tok kroz infinitezimalni dio površine presjeka torusnog namota ∂S na udaljenosti r od vodiča. Na udaljenosti r od vodiča magnetski tok ∂ iznosi:

∂ ∂

∂ ∂

∂ ∂ µ ∂

Vidljivo je da je tok kroz površinu ∂ neposredno proporcionalan jakosti magnetskog polja H(r) na udaljenosti r od vodiča (4.1.5.2.). Zato je potrebno poznavati raspodjelu polja – kako bi se mogao izračunati inducirani napon u namotu.

��

Sl. 4.1.5. 2. Odreñivanje magnetskog toka u torusnom namotu

Uz pretpostavku da je jakost polja na istoj udaljenosti r od vodiča uvijek jednaka, prema zakonu protjecanja vrijedi, [L7]:

∂

Kroz jedan zavoj namota protječe vremenski promjenjiva struja I, tj. sumarna struja koja se dobije integracijom po opsegu kružnice I:

∂

odakle raspodjela jakosti magnetskog polja u ovisnosti o udaljenosti r od vodiča:

Ako se u izraz (62.) uvrsti izraz (65.) slijedi da je magnetski tok na udaljenosti r od vodiča:

∂ ∂

Ukupni tijek kroz torus dobije se integracijom i iznosi:

∂

Struja koja teče primarnim vodičem vremenski je promjenjiva te će i tijek kroz torusni namot biti takoñer vremenski promjenjiv. Ako se izraz (67.) uvrsti u Lentzovo pravilo (59.), dobije se izraz za inducirani napon:

∂

∂

Izlazni napon špule Rogowskog u konačnosti iznosi:

∂

∂

gdje je: S - osjetljivost senzora, r - Omska (aktivna, radna) otpornost, R - opterećenja na sekundaru.

��

Izlazni napon se integrira elektronskim integratorom slika (4.1.5.3.) tako da se na njegovom izlazu dobiva napon koji vjerno reproducira oblik struje. Zbog nemagnetnog jezgra ovaj senzor nema nelinearnosti, pa je izlaz praktično neovisan od frekvencije u širokom dijapazonu odreñenom vremenskom konstantom špule, tako da se vjerno mogu reprodukovati veoma brze tranzijentne struje. Izlazni električni signal se E/O konvertorom pretvara u svjetlosni i šalje na potencijal zemlje fiberoptičkim kabelom gdje se O/E konvertorom ponovo pretvara u električni i povezuje sa mjernim instrumentima i zaštitom.

Sl. 4.1.5. 3.

Špula Rogowskog znači sastoji se od nemagnetske jezgre oko koje se namotava žica, ali takva konfiguracija ne može omogućiti višu termalnu stabilnost, pošto se namoti mogu pomicati pri čemu se mijenja induktivitet ureñaja. Iz tog razloga danas konstruktori pokušavaju doći do što konstruktivnijeg rješenja kako bi omogućili višu stabilnosti u funkciji promjene temperature. Jedno takvo rješenje koje omogućuje višu termalnu stabilnost je vrsta špule Rogowskog napravljena od višeslojne štampane ploče (slika 4.1.5.4.)

Sl. 4.1.5. 4. Špula Rogowskog napravljena od višeslojne štampane ploče, [L4]

Špula Rogowskog konstruisana od višeslojne štampane ploče sastoji iz dva kalema spojena u seriju sa dodatnim tokom. Namoti su ravnomjerno rasporeñeni u svih 360˚, pri čemu su kalemi namotani u suprotnim smjerovima jedan u odnosu na drugog. Spojevi izmeñu dvije suprotne strane napravljeni su od metaliziranih šupljina, nazvanih „via”. Kako su namoti

��

čvrsto spojeni za podlogu, geometrija je potpuno odreñena, te se može pisati, pošto podloga nije feromagnetska, da za osjetljivost vrijedi:

gdje je: µ0 - Permeabilnost vakuma, N - broj namota, h - debljina podloge, D - Vanjski dijametar namota, d - Unutarnji dijametar namota.

Kada su dimenzije ovog ureñaja podvrgnute promjenama temperature, onda se one mijenjaju prema jednadžbama (71.), (72.), (73.):

gdje su αz i αρ termički koeficijenti širenja. Jednadžba (70.) može biti pisana na drugi način:

Pri čemu je S0 osjetljivost pri T0, i dato je relacijom:

Obzirom na relaciju (69.), iz koje se može vidjeti da izlazni napon opterećene špule Rogowskog ovisan ne samo o osjetljivosti već i o vlastitoj radnoj otpornosti r. Sa velikom preciznošću, otpornost r može se aproksimirati relacijom:

Sa pretpostavkom da se otpornost opterećenja R ne mijenja sa temperaturom može se pisati:

∂

∂

Iz predhodne jednadžbe (77.) moguće je dati veoma bitan zaključak; temperaturna ovisnost može se upotpunosti eliminirati ukoliko je otpornost opterećenja R izabrana prema relaciji:

Kada se otpornost opterećenja uporedi sa jednadžbom (78.), jednadžba (77.) može se pisati:

∂

∂

gdje je Rkomp - kompenzirana otpornost data relacijom:

Da bi se fizikalno potvrdile teorijske postavke koje su prezentirane, izvršen je veći broj termalnih ispitivanja na Rogowski senzorima, sa različitim dijametrima, do 750 mm kao što je prikazano na slici 4.1.5.5.

��

Sl. 4.1.5. 5. Termalno odstupanje 550 kV senzora Rogowskog izmeñu -40˚ i 90˚. Mjerenja su

obavljana nekoliko dana i u nekoliko ciklusa, [L4]

Termalna stabilnost koja se dobije na ovaj način je impresivna. Slika 4.1.5.5. pokazuje da senzor Rogowskog ne odstupa od klase tačnosti mjerenja 0.1 (prema IEC-u) u širokom temperaturnom opsegu, od -40˚ do 90˚. Druga ispitivanja vršena pri nižim temperaturama potvrdila su tačnost na temperaturama od -50˚ i niže.

4.2. Aktivni mjerni sistemi

Aktivni mjerni sistemi za mjerenje struje i napona koriste aktivne elektronske komponente na visokonaponskoj strani uz čiju pomoć modulišu noseći signal informacijom o mjernoj veličini. Ovako modulisan električni signal se pretvara u optički signal i optičkim prenosnim sistemom (fiber optičkim kabelom) prenosi na potencijal zemlje gdje se vrši daljnja obrada i slika, [L3]. Shematski prikaz aktivnog mjernog sistema prikazan je na slici 4.2.1.

4.2.1.

Zajedničko za pasivni i aktivni mjerni nekonvencionalni sistem je korištenje optičkih prenosnih sistema, zbog čega se ovi nekonvencionalni transformatori nazivaju i optički mjerni transformatori, [L3].

��

5. IZVEDBE I KOMPONENTE NEKONVENCIONALNIH (OPTIČKIH) MJERNIH TRANSFORMATORA

Izvedbe nekonvencionalnih mjernih transformatora su poprilično jednostavne, meñutim tek se pojavljuju prije 10 – 15 god., kada dobivaju naziv nekonvencionalni mjerni transformatori koji su prema definiciji statički aparati koji se sastoje od jednog ili više senzora struje ili napona, koji može biti spojen preko primarnog konvertora na prijenosni sistem i sekundarni konvertor, a koji je namijenjen za prijenos signala proporcionalnog mjernoj veličini do mjernih instrumenata, zaštitnih ureñaja ili upravljačkih sistema, [L3]. Danas u upotrebi ih ima svega nekoliko vrsta što u suštini pokazuje stvarnu konzervativnu prirodu energetske industrije. Nekonvencionalni mjerni transformator se često naziva i elektronski mjerni transformator ili optički mjerni transformator. Sastoji se od elemenata prikazanih funkcionalnim dijagramom na slici 5.1.1.

� �����Funkcionalni dijagram nekonvencionalnog mjernog transformatora

Moguće je razlikovati slijedeće podgrupe iz funkcionalnog dijagrama sa slike 5.1.1.: Primarni senzor: Ureñaj koji konvertira primarnu mjernu veličinu (struju ili napon) u niskoenergetski analogni signal pogodan za elektronsku obradu. Primarni senzor je specijalno konstruisan i mehanički integriran sa primarnim provodnikom. Primarni konvertor: Elektronski ureñaj smješten u blizini primarnog senzora čiji je zadatak digitalizacija i predprocesiranje signala u pogodan oblik za prijenos do sekundarnog konvertora. Primarno napajanje: Napaja električnom energijom primarni konvertor. Prenosni sistem: Sistem koji povezuje primarne i sekundarne konvertore. Obično je fiberoptički kabel koji prenosi optički signal. Sekundarni konvertor: Elektronski ureñaj smješten u komandnoj sobi čiji je zadatak da signal pretvori u standardni izlazni format prilagoñen mjernom instrumentu, odnosno tipu zaštite i sistemu upravljanja. Sekundarno napajanje: Napaja električnom energijom sekundarni konvertor.

Nije neophodno da nekonvencionalni mjerni transformator ima sve elemente prikazane na funkcionalnom blok dijagramu. Primjenjena tehnologija nekonvencionalnog mjernog transformatora odreñuje koji su elementi potrebni u njegovoj realizaciji. Za njihov rad je potrebna mala snaga, na VN strani nemaju elektronsku opremu i za prijenos informacija koriste fiberoptičke kabele.

��

5.2. Shematski prikaz nekonvencionalnih (optičkih) mjernih transformatora

Osnovne karakteristike nekonvencionalnih (optičkih) mjernih transformatora mogu se predstaviti kroz funkcionalni dijagram prikazan na slici 5.2.1.

Sl. 5.2.1. Funkcionalni dijagram optičkog mjernog transformatora

Funkcija izolacije i očitavanja podataka optičkih mjernih transformatora je slična kao i kod konvencionalnih mjernih transformatora. Osnovna razlika je u principu rada senzora za mjerenje, korištenju fiberoptičkog kabela za vezu i komunikaciju sa senzorom preko E/O i O/E konvertora. Oznake E/O i O/E označavaju konverziju signala, elektronskog u optički i optičkog u elektronski, koji se prenosi putem komunikacijske veze i elektronskim interfejsom koji je potreban za E/O konverziju i prilagoñenje sekundarnog izlaza, [L3], [L4].

U osnovi, fundamentalna razlika izmeñu optičkog mjernog transformatora i konvencionalog je elektronički interfejs potreban za njegovo funkcioniranje. Interfejs je potreban kako za funkcije očitavanja tako i za predstavljanje očitanih vrijednosti u skladu sa standardima.

Najjednostavniji način upoznavanja sa sličnostima optičkih i konvencionalnih mjernih transformatora je razmatranje njihovih osnovnih sličnosti i razlika. Oni, zapravo, imaju više zajedničkih dijelova, kao što je prikazano na slici 5.2.2. Poreñenje optičkog i konvencionalnog mjernog transformatora s dvostrukim senzorom s magnetskim konvencionalnim transformatorom demonstrira sličnosti izmeñu dvije tehnologije. Višestrukost osnovnih i dodatnih funkcija ostvarena je upotrebom višeg broja sekundarnih namota dok kada je riječ o optičkom, višestrukost funkcija, npr. zbog pitanja pouzdanosti, ostvarena je upotrebom višeg broja mjernih mjesta. Za svako mjerno mjesto moguće je imati viši broj izlaznih jedinica za svaki interfejs, s ciljem izvršavanja više zadataka, što je urañeno izdvajajući jezgre od individualnih sekundarnih kabela. Optički kabeli mogu biti napravljeni tako da sadrže više optičkih vlakana, s veoma pouzdanim zaštitnim materijalom. Optički mjerni transformatori imaju trend smanjenja dimenzija i težine, tako da ukupna veličina i opterećenje jedinice nema značajan uticaj na veličinu i složenost senzora.

��

Sl. 5.2.2. Konstruktivne sličnosti optičkih i konvencionalnih mjernih transformatora, [L4]

Sa razvojem sintetičkih guma i silikonskih materijala, lakši visokonaponski izolatori postaju široko rasprostranjeni. Ove izolacione strukture su precizno proizvedene tako da se omogući da fiberoptički kabeli budu sastavni dio izolatora. Lakši senzori zahtijevaju znatno manje i lakše izolatore. Prema nekim konceptima, moguće ih je smjestiti pored ili ispod snopa vodiča ili glavnog mjesta spajanja, ili jednostavno kao dio ureñaja. Nekonvencionalni mjerni transformatori se mogu podijeliti u dvije grupe:

- Prva grupa su hibridni mjerni transformatori koji kombinuju konvencionalne mjerne transformatore sa elektronskim i/ili optičkim sistemima.

- Druga grupa su optički mjerni transformatori koji su bazirani na fundamentalnim optičkim mjernim principima.

5.2.1. Hibridni mjerni transformatori

Hibridni nekonvencionalni mjerni transformatori mogu biti podijeljeni u dvije grupe:

- sa aktivnim senzorima i - sa pasivnim senzorima

Ideja na kojoj su zasnovani pretvarači sa aktivnim senzorom je promjena postojećih izlaza konvencionalnih mjernih transformatora u „optički izolirane” izlaze. Stoga, ovakav sistem je moguće dobiti jednostavnim dodavanjem sistema optičke konverzije signala, prikazanog na slici 5.2.1.1. Ovaj sistem konverzije može zahtijevati vlastito napajanje: dakle radi se o aktivnim senzorima. Optička konverzija dogaña se na niskom naponu odnosno sekundaru transformatora. Upotreba izoliranog optičkog sistema služi da razdvoji sekundarne

��

izlazne napone transformatora i struje iz uzemljenih ili metalnih spojeva. Stoga, jedina veza koja ostaje izmeñu upravljačke sobe i ureñaja je fiberoptički kabel.

Sl. 5.2.1.1. Ekvivalentne sheme hibridnih optičkih sistema sa: induktivnim mjernim tansformatorom, kapacitivnim i otporničkim djeljiteljima napona

5.3. Optički senzor

Optički medij očitanja (staklo, kristali, plastika) „osjeća” promjene električkog i magnetskog polja kao i da se neke osobine testne zrake svjetlosti mogu mijenjati prilikom prolaska kroz ove medije. Jednostavan optički pretvarač je opisan na slici 5.3.1.

Sl. 5.3.1. Shematski prikaz koncepta očitanja promjena električkog i magnetskog polja od strane optičkog medija, [L4]

��

Razmatra se slučaj svjetlosne zrake koja prolazi kroz par filtera za polarizaciju. Ukoliko su ose ulaznog i izlaznog filtera pomaknute 45˚ jedna u odnosu na drugu, proći će svega polovina svjetlosti. Intenzitet osnovnog ulaznog svjetlosnog zraka ostaje nepromijenjen u vremenu. Ako ova dva filtera za polarizaciju ostanu fiksirana i postavi se treći polarizator izmeñu njih, proizvoljna rotacija centralnog polarizatora u smjeru kazaljke na satu ili suprotno, očitava se kao promjena ili modulacija intenziteta svjetlosti na optičkom detektoru. U suštini ovo se dogaña kada se optički materijal za očitanje (staklo ili kristal) postavi u promjenljivo magnetsko ili električko polje. Blok za očitavanje ima funkciju „rezernog” polarizatora. Promjene magnetskog ili električkog polja u kojem se nalazi optički senzor analiziraju se pomoću promjene intenziteta testne svjetlosne zrake na detektoru svjetlosti. Intenzitet svjetlosne zrake oscilira oko 50% ulazne referentne vrijednosti koja odgovara uvjetima nepostojanja bilo kojeg od navedenih polja. Ova promjena intenziteta svjetlosti usljed prisustva promjenljivih polja pretvara se (konvertuje) u odgovarajuće vremenski promjenljive vrijednosti struja ili napona. Isti fizikalni princip vrijedi i u slučaju nepromjenljivih polja. U ovom slučaju potrebno je znatno više sofitisticiranosti s ciljem odreñivanja izlazne vrijednosti koja je zadovoljavajuća kopija primijenjene istosmjerne struje ili napona. Takoñer, postoji nekoliko drugih fizikalnih modela koji su u upotrebi. Pretvarač koristi magnetskooptički senzor za mjerenja optičkih struja (optička struja je je zapravo svjetlost koja nosi informaciju o intenzitetu, frekvenciji, promjeni struje, ili neke druge druge relevantne informacije koje se odnose na struju). Stoga, senzor nije osjetljiv na protjecanje struje već na magnetsko polje čiji je izvor ova struja. Iako je upotreba fiberoptičkih vlakana praktično izvodivo rješenje, većina komercijalno dostupnih optičkih pretvarača struje koriste senzore od punkog stakla. Većina optičkih pretvarača napona, s druge strane, koriste senzor na bazi elektrooptičkog efekta. Stoga, ovi senzori su osjetljivi na vanjsko električno polje. Do sada, svega nekoliko elektrooptičkih pretvarača je razvijeno za potrebe industrije, [L4].

5.3.1. Izvedba senzora od punkog (kružnog) stakla ili kristalnog seznora

Tehničke industrijske verzije senzora ovisne su o samom proizvoñaču, ali u suštini optički medij izgleda kao na slici 5.3.1.1.

Sl. 5.3.1.1. Izvedba senzora od punkog stakla, primjer od proizvoñača AREVA, [L4]

U praksi se često pronalaze pretvarači izrañeni kao kristalni prsten koji navodi zraku svjetlosti da totalnom refleksijom na najmanjoj mogućoj udaljenosti obiñe vodič čija se struja mjeri (slika 5.3.1.2.). Takva konfiguracija omogućuje smanjenje uticaja susjednih vodiča na najmanju mjeru, neovisnost mjerenja o položaju vodiča, smanjenje geometrijskih odstupanja zbog termičkih rastezanja i vibracija itd.

��

Sl. 5.3. 2. Usmjeravanje zrake svjetlosti, [L7]

Polarizacijske ravnine polarizatora i analizatora meñusobno su zakrenute za 45°. Takva konfiguracija omogućuje mjerenje struje prema zakonu:

Svjetlosna zraka je reflektovana u unutrašnjosti dva puta u svakom uglu s ciljem očuvanja linearnog stanja polarizacije svjetlosti. Vodič mora biti okomit na optički medij da bi se smjerovi magnetskog polja sadržavali samo u pravcima prostiranja svjetlosti. Važno je napomenuti da se ovakav sistem mjerenja koristi kod strujnih nekonvencionalnih transformatora, koji će biti objašnjeni u nastavku. Karakteristike izvedbe punkog stakla jesu:

• Visokokvalitetna stakla imaju: o Visok Verdet-ov koeficijent V, o Jako mali koeficijent mehaničkog naprezanja, o Nema dodatnih refleksija, o Veliki izbor stakala, više od 100 vrsta što omogućuje jednostavnije

pronalaženje stakla sa potrebnim karakteristikama, • Znatna dugoročna stabilnost optičkog medija (reproduktivnost mjerenja), • Upotreba višeoscilatornih optičkih komponenata, veoma jeftinih i pouzdanih, kao što

su: o LED (diode koje emituju svjetlost), o Optički spojnici (spojevi), ST ili FC tip spojeva, o Optička vlakna (vrste su 62.5/125, 100/140, 200/230),

• Pojednostavljanje proizvodnje usljed automatizacije mašina, industrijalističko rješenje, • Ograničen dijametar otvora za primarne vodiče, • Skupo rješenje, posebno ukoliko je dijametar previše velik.

5.3.2. Hibridni magnetsko-optički senzor

Ovaj tip transformatora uglavnom se koristi u aplikacijama kao što je serijska kompenzacija dugih prijenosnih linija, gdje se zahtijeva ne uzemljeno mjerenje struje. U ovom slučaju potrebno je nekoliko strujnih senzora za svaku fazu s ciljem dostizanja naponske zaštite kondenzatora i meñusobnog uravnoteženja njihovog rada. Najbolje rješenje je upotreba transformatora s malom prstenastom omotanom magnetskom jezgrom spojenom na fiberoptički izolirani sistem. Ovi senzori su obično aktivni senzori, jer izolirani sistemi zahtijevaju napajanje, što je prikazano na slici 5.3.2.1.

��

Sl. 5.3.2.1.

5.3.3. Strujni optički senzor sa špulom Rogowskog Namoti Rogowskog su u laboratorijskim ispitivanjima poznati već desetljećima, posebno

kada je riječ o mjerenjima jakih visokofrekventnih strujnih impulsa. U osnovi, oni se mogu smatrati posebnim strujnim optičkim transformatorima, kao što prikazuje model sa slike 5.3.3.1., gdje su istovremeno prikazani i špula Rogowskog i strujni transformator.

Sl. 5.3.3.1. Ekvivalentni krug od strujnog transformatora i namota Rogowskog

gdje su:

Ip - primarna struja koja se mjeri, Is - sekundarna struja, E - elektromotorna sila koja se inducira u namotima (EMS), S - osjetljivost senzora, L - vlastiti induktivitet namota, r - omska (aktivna, radna) otpornost, R - opterećenja na sekundaru, Uizl - izlazni napon.

Osjetljivost i vlastiti induktivitet senzora su povezani jednostavnom relacijom:

gdje su: NP i Ns brojevi namota primara i sekundara.

��

Za primjene u gasom izoliranim postrojenjima (GIS), primarni namoti predstavljaju šipku koja prolazi kroz senzor, kao što je prikazano na slici 5.3.3.2, pri čemu je NP jednako 1., [L4].

Sl. 5.3.3.2. Osnovni koncept: Izometrijski prikaz senzora koji obuhvata vodič, [L4]

Osnovna jednadžba koja opisuje električne veze sa slike 5.3.3.1. je:

∂

∂

∂

∂

Pri nazivnoj frekvenciji i stacionarnom stanju, sekundarna struja je Is, a izlazni napon je Uizl:

Kada je riječ o strujnom transformatoru, primarna i sekundarna struja trebaju biti u idealnom odnosu: Is = Ip/Ns. Meñutim, praktično, postoji rezidualna greška te se na osnovi jednadžbe (84.) može pisati, [L4]:

Da bi se ova greška smatrala zanemarivom, potrebno je da omjer (R + ω)/ Lω bude što manji. Kada je veliko opterećenje na sekundaru, potrebno je koristiti magnetske jezgre velike permeabilnosti i povećati magnetski induktivitet L. Uobičajeno je da se koriste vrijednosti induktiviteta reda stotina Henrija (H).

Potrebno je napomenuti da izlaz špule Rogowskog predstavlja izlazni (sekundarni) napon Uizl, koji bi trebao biti povezan sa strujom primara „idealnom” vezom, i odreñen je jednadžbom (69.) Pri nazivnoj frekvenciji i stacionarnom stanju, relacija (69.) može se pisati kao:

Relacija za napon sekundara pri nazivnoj frekvenciji može se dobiti i kombinirajući jednadžbe (84.) i (85.):

Rezidualna greška iz prethodnog je jednaka L ω/(R + r). Ova greška se može minimizirati veoma jednostavno. Otpornost R se može izabrati proizvoljno, a induktivitet općenito ima veoma male vrijednosti, reda nekoliko stotina µH. Stoga, idealne relacije

��

predstavljene jednadžbama (69.) i (87.) mogu biti primijenjene sa veoma velikom tačnošću za širok opseg frekvencija, [L4].

5.4. Strujni nekonvencionalni mjerni transformator

Strujni optički mjerni pretvarači temelje svoj rad na zakretu ugla polarizacije svjetlosti pri prolasku polarizirane svjetlosti kroz magnetsko polje, okomito na smjer širenja svjetlosti. Magnetskooptički efekt naziva se Faradejev efekat (Slika 5.4.1.), koji je objašnjen u predhodom poglavlju.

Sl. 5.4.1. Faradejev efekat, [L7]

Svjetlost se u kristal dovodi fiberoptičkim kabelom kroz polarizator, a odvodi fiberoptičkim kabelom kroz analizator u elektronički ureñaj za mjerenje promjene intenziteta, što je posljedica zakreta polarizacijske osi nakon prolaska kroz analizator. Ravnina titranja polarizirane svjetlosti zakreće se zbog djelovanja magnetskog polja vodiča, a zakret polarizacijske ravnine pri prolazu kroz analizator očituje se promjenom intenziteta svjetlosti I koja prolazi kroz optički kabel prema elektroničkom sklopu za mjerenje izlaznog intenziteta:

gdje je: I izl - intenzitet svjetlosti nakon prolaska kroz analizator, Iul - početni intenzitet svjetlosti nakon prolaska kroz polarizator, α - ugao zakreta polarizacijske ravnine zbog djelovanja polja,

- ugao zakreta polarizacijske ravnine analizatora prema polarizacijskoj ravnini polarizatora koji je suprotan od smjera zakreta polarizacijske ravnine koju stvara polje.

Ugao α može se izraziti kao:

gdje je: V - Verdetova konstanta optičkog materijala kroz koji prolazi svjetlost, I - efektivna duljina svjetlosne zrake zahvaEena homogenim poljem, H - magnetsko polje koje stvara svitak protjecan mjernom strujom.

S obzirom na to da polje u tako postavljenim geometrijskim odnosima nije homogeno, ugao se dobija integracijom, uporabom izraza:

Alternativna konstrukcija jednog takvog sistema za mjerenje struje, u blokovskom prikazu, predočena je na slici 5.4.2.

��

Sl. 5.4. 2. Alternativna konstrukcija optičkog sistema za mjerenje, [L7]

Princip rada strujnog mjernog transformatora može se objasniti u 6. koraka prateći sliku 5.4.3., [L3].

Sl. 5.4.3. Strujni nekonvencionalni mjerni transformator, [L3]

1. Optoelektronički ureñaj konvertuje svjetlosni signal iz LED dioda u dva linearno polarizovana signala i šalje ih kroz fiberoptički kabel.

2. Na vrhu potpornog izolatora se nalazi kružni polarizator svjetlosti koji dva linearno polarizovana signala konvertuje u jedan lijevo i jedan desno kružno polarizovani signal.

3. Oba signala putuju oko provodnika više puta. Magnetno polje koje stvara struja koja teče kroz provodnik jedan signal usporava, a drugi ubrzava(Faraday-ev efekat).

4. Nakon što signali doñu do kraja fiberoptičkog kabela reflektuju se na tamo postavljenom ogledalu i vraćaju se nazad istim putem. Tom prilikom se efekat duplira.

5. Oba signala ponovo nailaze na kružni polarizator, koji ih sada konvertuje u linearno polarizovane signale. Kada nema struje kroz provodnik, oba signala su u fazi. Meñutim, kada struja teče kroz provodnik ona fazno pomjera signale u suprotnim smjerovima, zbog čega oni prestaju biti u fazi.

��

6. Svjetlost putuje nazad do optoelektroničkog ureñaja. Tu se odreñuje fazni stav i tako precizno mjeri struja kroz provodnik. Pošto oba signala prelaze identičan put, vibracije i temperaturne promjene imaju isti efekat na oba signala, što znači da nemaju uticaja na tačnost. Prednosti strujnih optičkih mjernih pretvarača naspram konvencionalnih strujnih mjernih

transformatora su sljedeće: � velika linearnost, � relativno male dimenzije i mala masa, � velika osjetljivost na brze promjene, � ne proizvode elektromagnetske smetnje, � smanjen rizik od nastanka požara i eksplozija, � pokazuju veliku tačnost mjerenja uz temperaturne promjene.

Najvažnije obilježje strujnih optičkih mjernih pretvarača je linearnost (slika 5.4.4.), [L7].

Sl. 5.3. 3. Ulazno izlazna karakteristika strujnog optičkog mjernog pretvarača, [L7]

5.5. Naponski nekonvencionalni mjerni transformator

Naponski optički mjerni pretvarači polagano preuzimaju svjetsko tržište zbog svojih prednosti pred naponskim transformatorima s feromagnetskom jezgrom. Na tržištu su se probili prije svega zbog niže cijene, smanjene mase i jednostavnosti ugradnje. Primjerice, naponski optički mjerni pretvarač proizvoñača ALSTOM ima visinu od 7,3 m i masu od samo 230 kg, a upotrebljava se za mjerenje napona do 800 kV (ispitni napon 2 100 kV), [L7]. Osim toga, relativno jednostavno ga se može pretvoriti u strujni, ili čak kombinirani mjerni pretvarač zamjenom mjerne glave. Ta vrsta pretvarača temelji svoj rad na promjeni linearno polarizirane svjetlosti u eliptično polariziranu svjetlost, u dvolomnim kristalima pod djelovanjem električnog polja kako je i opisano u poglavlju Pockelsov efekt. Električno polje pravi razliku potencijala, koja nastaje zbog fazne razlike dva polarizovana vala koji su meñusobno fazno pomaknuti i čije su polarizacijske ravnine meñusobno okomite. Sistemi koji se upotrebljavaju su Pockelsove ćelije koje se mogu upotrebljavati u pomenutoj transverzalnoj i longitudinalnoj konfiguraciji.

5.5.1. Transverzalna konfiguracija

Kod transverzalne konfiguracije mjerenje napona vrši se na način u kojem (slika 5.5.1.1.) svjetlosni izvor daje svjetlosnu zraku čija se ravnina titranja okreće ugaonom brzinom . Polarizator i analizator imaju meñusobno zakrenute osi vektora propuštanja za 45°. Prolaskom zrake kroz kristal te zbog djelovanja električnog polja ravnina titranja dodatno se zakrene za ugao . Izlazna zraka, zajedno s ulaznom zrakom, dovede se elektroničkom sklopu za detektiranje faznog zakreta.

��

Projekcija okretnog svjetlosnog vektora na vektor propuštanja analizatora daje na izlazu intenzitet svjetlosti:

Sl. 5.5.1.1. Pockelsova ćelija u transverzalnoj konfiguraciji, [L7]

S obzirom na to da je za mjerenje potrebna samo promjenjiva komponenta zbog usporedbe s ulaznim signalom dobiveni signal se filtrira, što osigurava da se usporeñuje samo komponenta:

Kod opisanog načina mjerenja bitan je ugao te je predmetni sistem neosjetljiv na promjene intenziteta zrake svjetlosti.

5.5.2. Longitudinalna konfiguracija

Alternativni način mjerenja je mjerni sistem amplitudne modulacije (longitudalna konfiguracija) koji čine polarizator, valni filter za poništavanje retardacije, kristal u električnom polju mjerenog napona i analizator (slika 5.5.2.2.) kojim se omogućuje mjerenje napona prema jednadžbi:

u kome je: I - intenzitet svjetlosti nakon prolaska kroz analizator,

- početni intenzitet svjetlosti, K - konstanta Pockelsove osjetljivosti.

Sl. 1. Mjerenje napona pomoću Pockelsove ćelije u longitudinalnoj konfiguraciji, [L7]

��

Za priključenje mjerenog napona na ćelije koriste se tanki, metalom napareni slojevi. U praksi se najčešće upotrebljavaju 3 mjerne ćelije koje daju vjernu sliku napona koji se mjeri. Raspored Pockelsovih ćelija u naponskom transformatoru prikazan je na slici 5.5.2.3.

Sl. 2 Raspored Pockelsovih ćelija u kombiniranom optičkom mjernom transformatoru, [L7]

Princip rada naponskog mjernog transformatora može se takoñer objasniti u 6. koraka prateći sliku 5.5.1., [L3].

Sl. 5.5.1. Naponski nekonvencionalni mjerni transformator, [L3]

1. Napon na priključku stvara električno polje izmeñu provodnika i zemlje. 2. Optoelektronički ureñaj šalje svjetlosni signal iz LED dioda kroz fiberoptički kabel. 3. Svjetlost putuje duž linija polja do gornje elektrode. 4. Svjetlost ulazi u Pockelsove kristale (Pockels cells) smještene na odreñenim pozicijama

unutar potpornog izolatora. 5. Dok prolazi kroz kristale, električno polje mijenja kružnu polarizaciju svjetlosti u

eliptičnu (kružno polarizovana svjetlost ulazi u kristal, a izlazi eliptično polarizovana svjetlost). Na osnovu parametara elipse odreñuje se precizno vrijednost polja na mjestu kristala.

��

6. Na kraju se, na osnovu vrijednosti polja odreñenog u tri tačke, precizno odreñuje (mjeri) napon. Mjerenje ne zavisi od vanjskih uticaja, kao što je površinsko zagañenje izolatora.

Obilježje naponskih optičkih mjernih pretvarača koje treba posebno istaknuti je linearnost (slika 5.5.2.4.), [L7].

Sl. 55.2. Ulazno izlazna karakteristika naponskog optičkog mjernog pretvarača, [L7]

5.6. Kombinirani nekonvencionalni strujni i naponski mjerni transformator

Nekonvencionalni mjerni transformatori, kao i klasični (konvencionalni mjerni transformatori), mogu se kombinirati. Kombiniraju se strujni optički i kapacitivni naponski mjerni transformator, znači uz korištenje koncepta konvencionalnog kapacitivnog djeljitelja napona. Jedan takav kombinirani mjerni transformator prikazan je na slici 5.6.1.

Sl. 5.6.1. Kombinirani strujni optički i kapacitivni naponski mjerni transformator

��

Na slici 5.6.2. dat je prikaz kombiniranih naponskih i strujnih mjernih transformatora u visokonaponskom postrojenju za naponske nivoe 110 – 400 KV. Gdje je prikazana i kontrolna zgrada u kojoj se vrši mjerenje i odakle se može daljinskim putem upravljati.

Sl. 5.6. 2. Kombinirani optički mjerni pretvarači u visokonaponskom postrojenju, [L7]

��

7. ZAKLJU ČCI

U današnjem elektroenergetskom sistemu uglavnom su zastupljeni konvencionalni mjerni transformatori za mjerenje napona i struja kod kojih su konstrukcija i načini izrade dosegli svoj optimum. Brojna zastupljenost ogleda se i dalje u njihovim brojnim prednostima, kao i u životnoj dobi od preko 40 godina. Kompanije koje se bave eksploatacijom električne energije, bez obzira na pojavu nove tehnologije, nemaju namjeru promijeniti konvencionalni mjerni transformator, sve dok ispravno funkcioniše. Zastupljenost konvencionalnih mjernih transformatora ogleda se malim dijelom i u skepticizmu i protivljenju mnogih kompanija koje se bave eksploatacijom električne energije pri pojavom novih tehnologija. Skepticizam i protivljenje obično su prisutni, a postojali su i u ranijim epohama i istim glasom suprotstavljali su se željeznicama, električnoj energiji itd. Proizvoñačima je cilj zadovoljiti kupce (prodati proizvod) proizvoditi proizvode koji su traženi od strane potrošača – kupaca. Meñutim, ukoliko proizvoñač ponudi proizvod koji ima ekonomsku opravdanost procjenjenu primjenom cost/benefits analize, sigurno je da će dati proizvod pronaći svoje tržište. Jedan takav proizvod jeste nekonvencionalni mjerni transformator koji ima brojne prednosti nad konvencionalnim mjernim transformatorim s feromagnetskom jezgrom i to: jeftiniji su, smanjeni troškovi i pojednostavljena ugradnja, velika tačnost pri mjerenju, male dimenzije, unutarnja sigurnost, povećana pouzdanost itd., a fundamentalna razlika izmeñu optičkog mjernog transformatora i konvencionalog je elektronički interfejs potreban za njegovo funkcioniranje. Interfejs je potreban kako za funkcije očitavanja tako i za predstavljanje očitanih vrijednosti u skladu sa standardima.

Nova vrsta mjernih transformatora za prijenos signala s velikom propusnom moći, bez većih gubitaka na veću udaljenost koristi optička vlakna koji od 1970. god. nalaze široku primjenu naročito u elektrotehnici i komunikacijskoj tehnoligiji. Zbog malih gubitaka i otpornosti na elektromagnetne smetnje te gotovo iste cijene po jedinici duljine, u novije vrijeme sve češće zamjenjuju upletenu bakrenu paricu. Svjetlosni signal koji se konvertuje iz led dioda u dva linearno polarizovana signala u optoelektroničkom ureñaju šalje se kroz optička vlakna. Svjetlost koja prolazi optičkim vlaknom je polarizovana svjetlost, zahvaljujući polarizatorima pri ulazu u optičko vlakno. Svjetlost se zadržava u jezgri optičkog vlakna zahvaljujući potpunoj unutarnjoj refleksiji, pri čemu se optičko vlakno ponaša kao cilindrični dielektrični valovod.

Nekonvencionalni mjerni transformatori pri mjerenju struje i napona koriste pasivne mjerene sisteme koji koriste: Kerr efekat, Hall efekat, Pockels efekat, Faradejev efekat pri čemu se na mnogo jednostavniji i tačniji način dolazi do rezulatata za razliku od konvencionalnih mjernih transformatora.

Iako prilično jednostavni, optički instrument transformatori pojavili su se prije 10-15 godina, ali danas u upotrebi ih ima svega nekoliko vrsta i to u vodećim državama u svijetu: Japan, podstanica Jyohana; Surrey u Canadi; Sugar Creek, Indiana, SAD; Saumade u Francuskoj itd. Ovo u suštini pokazuje stvarnu i pomenutu konzervativnu prirodu energetske industrije. Nekoliko izdvojenih teških kvarova se desilo što nije razlog skepticizma i protivljenja. Novi mjerni transformatori bi u slijedećim godinama trebali imati manje konzervativan odnos prema potrošačima u energetskoj industriji. Ali, dugoročna stabilnost i dosljednost u radu novih pretvarača još uvijek treba biti potvrñena u aplikacijama mjerenja potrošnje.

S obzirom na sve prednosti koje imaju, za pretpostaviti je da će se uskoro započeti i s njihovom primjenom u elektroenergetskim postrojenjima EES-a kako stranog tako i našeg u kojem se ne nalazi niti jedan pomenuti proizvod.

��

8. LITERATURA

L1. Prof.dr. Šemsudin Mašić: Električni strojevi, 2006 L2. Prof.dr. Nermina Zaimović-Uzunović: Mjerna tehnika, 2006 L3. Prof.dr. Mirsad Kapetanović: Predavanje iz predmeta ”Osnove mehatronike” pod

naslovom: ”Nekonvencionalni mjerni transformatori”, 2008/2009 L4. CIGRE WG A3.15: PART I : PRIMARY SENSORS - Non Conventional

Instrument transformers (NCIT) L5. Prof.dr. Alija Muharemović: Električna mjerenja – predavanja L6. Mjerni transformatori, diplomski rad -

http://www.scribd.com/doc/3817338/diplomski-radnaponski-mjerni-transformator L7. Krunoslav Bičanić, doc.dr.sc. Igor Kuzle, prof.dr.sc. Tomislav Tomiša:

,,Nekonvencionalni mjerni pretvarači, Energija, 2006, br. 3., str. 328-351 L8. Bruno Plančić: Diplomski rad, 2008. L9. Doc. dr Nasuf Hadžiahmetovic : Osnove optolektronike – predavanja, 2010 L10. Mirza Milišić: Optička vlakna – predavanje 1. i 2., 2010., ETF Sarajevo L11. Radlovacki Velimir: Optički kablovi, 2008 L12. CIGRE WG A3.15: PART II : TESTING AND CALIBRATION - Non

Conventional Instrument transformers (NCIT) L13. CIGRE WG A3.15: PART III : DIGITAL INTERFACE - Non Conventional

Instrument transformers (NCIT) L14. Dr. Stjepan Marić: Fizika za studente tehničkih fakulteta, 2002 L15. Ljiljana Brajović: Polarizacija svetlosnih talasa, 2007 L16. Prof. dr. Mirsad Kapetanović, ELEKTRIČNI APARATI II (skripta), 2008 L17. Doc. dr Nasuf Hadžiahmetovic: Optički telekomunikacioni sistemi - Optički

Modulatori L18. Shoaib Khan: Industrial Power Systems, CRC Press 2008 by Taylor & Francis

Group, LLC L19. Mr.sc. Rajko Židovec: Mjerni transformatori L20. Doc.dr.Nasuf Hadžiahmetovic: Optički telekomunikacioni sistemi - predavanja L21. http://pedja.supurovic.net/polarizacioni-filter-namena-i-nacin-upotrebe L22. http://www.energoinvest.ba/