Моделирование оптического тракта измерителя тока с помощью программного пакета на основе Python

Введение. Современные оптические технологии широко применяются в телекоммуникациях, лазерных системах и научных исследованиях. Измерители на основе оптических эффектов нашли активное применение в области электроэнергетики. Так, оптические измерительные трансформаторы являются перспективным направлением развития интеллектуальных энергетических систем, способствуя улучшению наблюдаемости сетей и повышая их надежность за счет избавления от ряда существенных недостатков традиционных трансформаторов. Однако повсеместному применению новых измерителей препятствует дороговизна компонентов и отсутствие крупного налаженного производства. На текущем этапе продолжается исследование и развитие оптических измерителей тока. В связи с этим особую значимость приобретает математическое моделирование оптических схем, позволяющее на ранних этапах разработки оптимизировать состав и расположение элементов. Цель. Разработка программного решения, позволяющего моделировать оптические схемы компонентов поляриметрического датчика тока, что, в свою очередь, позволит оптимизировать подбор и пространственное расположение элементов оптического тракта измерителя и тем самым упростить процесс разработки оптических трансформаторов тока. Материалы и методы. Программа реализована на языке Python с использованием библиотек NumPy и Matplotlib. Расчёт основан на формализме Джонса для описания преобразований поляризации в последовательности элементов (поляризаторы, призмы, вращатели Фарадея и др.). Принцип измерения тока моделируется через эффект Фарадея с учётом параметров магнитного поля и характеристик чувствительного материала (длина активного элемента, постоянная Верде). Результаты и обсуждение. В ходе работы была реализована модель полного оптического тракта и выполнено сопоставление расчётного и экспериментального выходных сигналов. Получено качественное совпадение формы сигналов. Показано, что разработанное ПО корректно воспроизводит влияние ключевых параметров (азимутальные углы поляризаторов, длина активного элемента, постоянная Верде) на частоту и амплитуду выходного сигнала, что подтверждает адекватность выбранной математической модели для задач предварительного проектирования. Заключение. По итогам проведённого исследования можно сделать вывод о том, что разработанная программа является эффективным инструментом для моделирования и оптимизации оптического тракта измерителя тока и может быть использована при разработке новых конструкций оптических трансформаторов тока, снижая потребность в дорогостоящих физических прототипах на ранних этапах проектирования.

1. Особенности внедрения интеллектуальных энергосетей Smart Grid / Гришин Д. С. [и др.] // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2017. № 1(21). С. 109–116.

2. Янин М. А., Шеметов А. С., Козырев А. В. и др. Текущие результаты опытной эксплуатации электронных ТТ и ТН 500 кВ // Энергоэксперт. 2020. № 1. С. 62–67.

3. Янин М. А., Канафеев Р. И., Иванов Н. А. и др. Сравнение работы цифровых и аналоговых ТТ и ТН при опытах однофазного КЗ на ЦПС 500 кВ ТОБОЛ // Релейщик. 2020. № 3. С. 26–35.

4. Kucuksari S., Karady G. Experimental Comparison of Conventional and Optical Current Transformers. Power Delivery // IEEE Transactions on. 25. 2010. P. 2455-2463.

5. Mihailovic P. Fiber Optic Sensors Based on the Faraday Effect // Sensors. 2021. V. 21. P. 6564-6591.

6. Ingvill U. R. Application of Optical Current Transformers in Digital Substations // Master’s Thesis in Energy and Environmental Engineering. Trondheim, 2017. 146 p.

7. Svensson K. B. Fiber Optic Current Sensors // Master’s Thesis in Photonics Engineering. Gothenburg, 2014. 41 p.

8. Klaus B. Fiber-Optic Current Sensor Tolerant to Imperfections of Polarization-Maintaining Fiber Connectors // IEEE. 2018. V. 36. P. 2161-2165.

9. Klaus B. Polarimetric Fiber-Optic Current Sensor with Integrated-Optic Polarization Splitter // IEEE. 2019. V. 37. P. 3672-3678.

10. Pan F., Xiao X., Xu Y., Ren S. An Optical AC Voltage Sensor Based on the Transverse Pockels Effect // Sensors. 2011. V. 11. P. 6593-6602.

11. Темкина В. С., Лиокумович Л. Б. и др. Волоконные световоды spun-типа и их описание в рамках формализма матриц Джонса при анализе практических оптоволоконных схем // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Фиико-математические науки. 2023. Т. 16. С. 198–214.