CU PRIVIRE LA INTRODUCEREA SENZORILOR ELECTRO-OPTICI DE MĂSURĂ A TENSIUNII ÎN STAŢIILE DE DISTRIBUŢIE

CU PRIVIRE LA INTRODUCEREA SENZORILOR ELECTRO-OPTICI DE MĂSURĂ A TENSIUNII ÎN STAŢIILE DE DISTRIBUŢIE CONCERNING THE IMPLEMENTATION OF THE ELECTRO-OPTICAL SENSORS FOR VOLTAGE MEASUREMENT IN DISTRIBUTION STATIONS Maria BROJBOIU Traian Titi SERBAN Mihnea Stefan LEOVEANU Universitatea din Craiova, Romania Bd. Decebal, No.5, tel 40-251-435724; email: mbrojboiu@elth.ucv.rot: serban@elth.ucv.ro Rezumat: Articolul prezintă, pe baza unei bibliografii de specialitate în domeniu, stadiul de dezvoltare al noilor dispozitive de masură a tensiunii, construite prin utilizarea efectului electrooptic (efectul Pockels) [1-10]. Sunt prezentate aspectele teoretice ale efectelor optice, materialele specifice ce prezintă aceste efecte şi principiul de construcţie al acestor dispozitive. Sunt subliniate avantajele acestor dispozitive de măsură neconvenţionale faţă de transformatoarele de tensiune electromagnetice. Sunt deasemenea prezentate realizările unor firme de prestigiu în domeniu, cum ar fi NxtPhase sau GEC Alsthom [11,12]. Keywords: măsură tensiune, senzori electro-optici, efect Pockels. 1. Introducere Măsurările de tensiune în sistemele de mare putere şi înaltă tensiune sunt realizate cu ajutorul transformatoarelor de tensiune şi în anumite cazuri cu divizoare rezistive sau capacitive. Dispozitivele convenţionale de măsură pentru înaltă tensiune presupun un mic consum de putere din sistem. Aceste transformatoare convenţionale sunt încă larg răspândite, datorită tehnologiilor binecunoscute şi fiabilităţii ridicate. Cerinţele recente ale sistemelor de putere de î.t. au dus la creşterea gabaritului transformatoarelor convenţionale. În acelaşi timp, datorită introducerii sistemelor digitale de protecţie şi control în sistemele de putere, reducerea sarcinii transformatoarelor convenţionale precum şi eliminarea interferenţelor electromagnetice a devenit o cerinţă esenţială. În aceste condiţii, dezvoltarea noilor dispozitive de măsurare a fost considerată ca strict necesară. Prin urmare, în loc de a măsura direct tensiunea sau curentul, pot fi măsurate modificările proprietăţilor anumitor materiale, sub influenţa câmpurilor electrice sau magnetice înconjurătoare. Unele dispozitive de măsură neconvenţionale se bazează pe modificările proprietăţilor optice ale anumitor materiale aflate în câmp electric sau magnetic: efectul Faraday, efectul Kerr şi efectul Pockels. Toate aceste tehnici de măsură se bazează pe mecanisme diverse prin care un material roteşte planul de polarizare al luminii care străbate acel material. Mărimea unghiului de rotire depinde de intensitatea câmpului electric sau magnetic [1-10]. Tehnologiile noi dezvoltate în domeniul electronicii şi opticii oferă alternative la transformatoarele de tensiune electromagnetice convenţionale. Precizia măsurării este determinată în primul rând de precizia cu care se estimează polarizărea luminii. Abstract: The purpose of this paper is to present, based on the references in the fields, the development stage of the new voltage measurement devices, constructed by using the electro-optical effect (Pockels effect) [1-10]. There are presented the theoretical aspects of the optical effects, specific materials that exhibit this kind of effects, as well as the construction principle behind these devices. The advantages of these unconventional measurement devices over voltage electromagnetic transformers are emphasized. The achievements of the prestigious companies in the field such as: NxtPhase or Alsthom are also presented [11,12]. Keywords: voltage measurement, electro-optical sensors, Pockels effect 1. Introduction The voltage measurements in the high power and high voltage systems are realized using transformers, voltages and, in some cases, resistive or capacitive dividers. Conventional measuring devices for high voltage rely on the measurement consuming small amount of power, called burden, from the system. These conventional transformers are still widely spread because of their well-known technologies and high reliability. The new demands of high voltage electric power systems led to increasing of the conventional transformers sizes. In the same time, since digital control and protection systems have been introduced to electric power systems, reducing the burden of conventional transformers as well as the elimination of electromagnetic interference are required. Under these circumstances the development of new measurement devices has become compulsory. The changes in properties of some materials as a result of the surrounding magnetic or electrical fields can be measured, instead of directly measuring the current or voltages. The changes in properties of some materials as a result of the surrounding electrical or magnetic fields can be measured, instead of directly measuring the current or voltage. Some of these unconventional devices rely on the changes in optical properties of certain materials in electric or magnetic field: the Faraday effect, the Kerr effect and the Pockels effect. All these techniques rely on various mechanisms by which a material rotates the polarization of light passing through. The amount of rotation depends on the intensity of the electric or magnetic field [1-10]. The new developed technologies in the electronics and optical fields provide alternatives to the conventional electromagnetic voltage transformers. The accuracy of

456 Senzorii optici au fost dezvoltaţi pentru aplicaţii în sistemele electrice de putere datorită imunităţii lor la interferenţele electromagnetice, a nivelului de izolaţie ridicat şi a unei largi benzi de frecvenţă. În secolul al XIX -lea au fost descoperite efectele electrooptice şi magnetooptice, oferind asftel prilejul utilizării lor la măsurarea tensiunii şi curentului. În 1845 Faraday a descoperit că sticla îşi modifică indicele de refracţie a luminii polarizate circular, atunci când este introdusă întrun câmp magnetic [2]. Acest fenomen este cunoscut ca efectul magneto-optic şi este folosit pentru construirea senzorilor de curent. Dependenţa birefringenţei liniare de câmpul electric extern este cunoscut sub numele de efect electro-optic sau efect Pockels. Birefringenţa liniară este fenomenul prin care lumina se propagă cu viteze diferite pe două direcţii liniare ortogonale de polarizare a luminii într-un mediu optic. Senzorii de tensiune au fost construiţi pe baza efectului electro-optic sau Pockels. În modulatoarele optice, câmpul electric aplicat mediului şi direcţia de propagare a luminii prin mediu pot fi paralele sau ortogonale. Aceste două cazuri se numesc efect Pockels longitudinal respectiv transversal. Ca mediu de propagare a luminii, este folosit germanatul de bismut (Bi 4 (GeO 4 ) 3 sau BGA) obţinut cu o structură de cristal cubică la care este prezent efectul Pockels transversal adică variaţia indicelui de refracţie în funcţie de valoarea câmpului electric aplicat [3]. În figura 1 este prezentat schematic senzorul de tensiune cu fibră optică. Lumina care se propagă prin fibra optică trece prin componentele senzorului optic. Înainte de a ajunge la celula Pockels, lumina este focalizată cu un colimator, într-un fascicul paralel, polarizată liniar şi trecută printr-o placă sfert de undă (λ/4), pentru a produce un fascicul polarizat circular [2,3]. The 5 th International Power Systems Conference measurement is determined mostly by how well the change in polarization of the light can be measured. Optical sensors have been developed for application in electric power system because of their immunity against electromagnetic interference, high insulation level and broad bandwidth. In the nineteenth century, electro-optical and magnetooptical effects have been discovered, giving the opportunity to be used for current or voltage measuring. In 1845, Faraday found a difference in refractive index in glass for circularly polarized light induced by a magnetic field [2]. This phenomenon is known as magneto-optical effect and it is used for construction of the current sensors. The linear birefringence in a medium is the phenomena whereby two orthogonal linear directions of polarization of the light in medium, travel at different velocities. The voltage sensor has been constructed using the electro-optical effect or Pockels effect. The electro-optical effect or Pockels effect is the name given to the dependence of the linear birefringence on the external electric field. In the optical modulators the applied electrical field and the light beam direction can be parallel or perpendicular to each other. These two cases are called longitudinal and transversal Pockels effect respectively. As medium of the light propagation can be used bismuth germanate that can be obtained with a cubic crystal structure (as Bi 4 (GeO 4 ) 3 or BGO) and it shows the transversal Pockels effect which varies the refractive index proportionally to the electrical field [3]. Figure 1 shows the schematic drawing of the fiber optic voltage sensor. Light emerging from the fiber passes through the sequence of optical components. Before reaching the Pockels cell, the light is focused into a parallel beam by a collimator, linearly polarized and passed through the quarterplate (λ/4), to provide a circularly polarized beam [2,3]. B A Voltage Tensiune B A Fibre Fibră Polariser Lens Polarizor Lentilă λ/4 Pockels cell Analyser Analizor Lens Lentilă Fibre Fibră Figura 1. Schema senzorului optic de tensiune Figure 1. Schematic drawing of the fiber optic voltage senzor Lens Lentilă LED detector B detector A Pentru a produce în cristalul celulei Pockels câmpul electric perpendicular pe fascicolul de lumină, se foloseşte tensiunea de ieşire a unui divizor capacitiv. Prin urmare, fascicolul de lumină este modulat în concordanţă cu semnalul de tensiune pulsatoriu de la intrarea divizorului, pentru a produce o polarizare eliptică. La trecerea fascicolului de lumină prin celula Pockels care are o distribuţie de câmp electric, lumina are o întârziere de fază. Câmpul electric poate fi calculat prin detectarea intensităţii luminii prin analizor. Întârzierea de fază indusă δ, între două componente ortogonale ale luminii poate fi calculată utilizând relaţia [1]: 2 π δ = n L, (1) λ unde λ este lungimea de undă a luminii, n este birefringenţa indusă şi L este lungimea cristalului. Birefringenţa indusă poate fi calculată cu formula [1]: The output voltage of the capacitive divider is used to produce an electrical field in the crystal of the Pockels cell, in the same direction as the light beam. Hence, light beam is modulated in accordance to the pulsed voltage signal at the input of the divider, in order to produce a rotating elliptical polarization. When the polarized light is passed through the Pockels cell, which has an electrical field distribution, the light has phase delay. By detecting the intensity of the light through the analyzer, the electric field can be calculated. The induced phase delay δ, between two orthogonal light components is given by formula [1]: 2 π δ = n L, (1) λ where λ is the wavelength of the light, n is the induced birefringence and L is the length of the crystal. The induced birefringence can be computed through the next formula [1]:

06-07.11.2003, Timişoara, Romania 457 3 n = n k E, (2) o P unde E este intensitatea câmpului electric, k P este coeficientul Pockels al cristalului BGO, n 0 este indicele de refracţie ordinar sau indicele de refracţie fără câmp electric aplicat. Dacă se folosesc două detectoare pentru a analiza lumina pe cele două direcţii (lungă S 1 şi scurtă S 2 ) ale elipsei de polarizare de ieşire, atunci se poate scrie următoarea relaţie [2]: S 1 S 2 E = sin, (3) S 1 + S 2 E o unde E 0 este intensitatea câmpului electric care conduce la un defazaj de λ/4 şi este de ordinul 5...30 kv / cm pentru majoritatea materialelor optice uzuale. Trebuie specificat că senzorii sesizează de fapt câmpul electric şi nu tensiunea. Totuşi, pe baza relaţiei dintre câmpul electric şi tensiune, valoarea tensiunii poate fi determinată. Cristalului optic i se poate aplica întreaga tensiune sau numai o parte din aceasta, utilizând un divizor capacitiv pentru a aplica doar o fracţiune din tensiunea ce urmează a fi măsurată. 2. Principiul constructiv al senzorului de tensiune Dispozitivele electro-optice cu fibre optice pot fi folosite la măsurarea tensiunii, având multiple avantaje faţă de transformatoarele de tensiune convenţionale, cum ar fi posibilitatea realizării unei structuri total dielectrice, imună la interferenţele electromagnetice, având izolaţie totală, bandă de frecvenţă largă, dimensiune mică şi greutate redusă a senzorului. Primul senzor de tensiune a fost construit ăn varianta transversală folosind un cristal de BGO, fiind montat într-un sistem optic de tip microbench [2,3]. Cristalul BGO a fost ales datorită lipsei birefringenţei naturale şi a efectului piroelectric. Lumina a fost transmisă prin fibre plastice cu diametrul de 1 mm. Din cauza secţiunii mari a fibrei, cuplarea luminii de la LED la fibră a fost uşor de realizat. Pentru a măsura elipticitatea luminii la ieşire (cele două intensităţi S 1 şi S 2 ), s-au folosit două fibre. Legăturile dintre senzor şi detector au fost mai mici de 10 m din cauză că atenuarea luminii în celula Pockels a fost în exces cu 20 db, iar absorbţia luminii în fibrele de plastic a fost de asemenea mare. Performanţele senzorului au fost studiate prin aplicarea unui puls de tensiune rapid ( τ rise = 2µ s, τ fall = 20µ s ), a unei tensiuni treaptă şi a unei tensiuni continue. Răspunsul senzorului a fost proporţional cu sin(v/v o ), unde V o 6000V, pentru cristalul cu dimensiunile 30x5x5mm 3. Deoarece indicele de refracţie se modifică foarte rapid ca urmare a efectului Pockels, viteza de răspuns a senzorului a fost limitată de fotodiodă şi un amplificatorul electronic. Semnalul de tensiune măsurat nu a suferit perturbaţii electromagnetice. Senzitivitatea senzorilor electro-optici folosiţi în măsurătorile de înaltă tensiune trebuie ajustată, deoarece de obicei aceasta este mare în comparaţie cu tensiunile de sute de kilovolţi care apar în sistemele electrice de putere. Utilizarea practică a senzorilor electro-optici pentru măsurătorile directe poate fi limitată şi de rezonanţele acustice produse de efectele secundare piezoelectric şi elastooptic, care pot adăuga componente oscilatorii la semnalul obţinut din măsurători. Influenţa acestor efecte asupra semnalului măsurat poate fi eliminată prin schimbarea formei cristalului utilizat [1-5]. Alte efecte secundare ce pot să apară sunt datorate influenţei tempe- 3 n = n k E, (2) o P where E is the intensity of the electric field, k P is the Pockels coefficient of the BGO crystal, n 0 is the ordinary refractive index or the index with no electric field applied. If two detectors are used to analyze the light in the long S 1 and short S 1 directions of the output polarization ellipse, then the next relation can be wrote [2]: S 1 S 2 E = sin, (3) S 1 + S 2 E o where E 0 is the field strength leading to a phase shift of λ/4 and is of the order of 5...30 kv / cm for the most common electro-optic materials. We must specify that the sensors are electric field sensors and not voltage sensor. However the relation between applied voltage and the electric field is used to derive the voltage. The entire voltage can be applied across the electro-optical crystal, but a capacitive divider can be used to apply a well- known fraction of the voltage to be measured. 2. Constructive principle of the voltage sensor Electro-optical devices can be used to measure the voltage, having many advantages in replacing conventional voltage transformers, such as the possibility of a total dielectric construction, electromagnetic noise immunity, complete insulation, wide frequency bandwidth, small size and light weight of the sensor. The first voltage sensor was constructed with bismuth germanate BGO crystal as sensing material, based on the transverse Pockels effect, being mounted in a microbench optical system [2,3]. The BGO crystal was chosen as sensing material because it lacks natural birefringence and pyroelectric effect. The light has been transmitted by a plastic fibres with a diameter of 1mm. Because of the large cross-section of the fiber it was easy to couple light from LED into fiber. Two fibres are used to measure the ellipticity of the output light. The leads between the sensor and the detector was not longer than about 10m, because the light attenuation in the Pockels cell was measured to be in excess of 20dB and the absorption in the plastic fibres was high. The sensor performance was investigated with a fast voltage pulse ( τ rise = 2µ s, τ fall = 20µ s ), a step voltage and a d.c. voltage. The response of the sensor was proportional to sin(v/v o ), where V o 6000V for a crystal of 30x5x5mm 3. Because of the very fast change in refractive index due to the Pockels effect ( < ns), the speed of the sensor was limited by the photodiode and the electronic amplifier. The measured voltage signal was free from electromagnetic interference. When using electro-optical sensors to high voltage measurement, their sensitivity, which is usually too high in comparison with the voltages of hundreds kilovolts appearing in electric power systems, should be adjusted. Furthermore, the practical use of the electro-optical sensors for direct measurements can be limited by acoustic resonaces driven by piezoelectric and elasto-optical secondary effects, which can add oscillatory components to signal obtained from measurement of applied voltages. It is possible to eliminate the influence of these effects on the measured signal by changing the shape of the crystal used [1-5]. Another secondary effect that can be expected is due to

458 raturii. Pentru a îmbunătăţi caracteristicile dependente de temperatură ale senzorilor electro-optici, se foloseşte un separator cu acelaşi coeficient de dilatare termică ca al celulei Pockels, plasat între celula Pockels şi placa sfert de undă sau analizor. Prin urmare au fost propuse două tipuri de senzori de tensiune electro-optici [1]: un senzor cu direcţie de propagare non-axială şi un senzor multisegment. Senzorul Pockels prezentat [1] foloseşte un cristal electro-optic sub forma unei tije lungi şi subţiri, cu diametrul de 1mm şi lungimea de 40mm, care necesită un sistem special de electrozi, precum în Figura 2. The 5 th International Power Systems Conference the impact of the temperature. To improve the temperature dependence characteristics of the electro-optical sensor, a separator with the same thermal expansion coefficient as the Pockels cell was situated at the interference between the Pockels cell and the quarter-wave plate or the analyzer. Hence, two types of electro-optical high voltage sensors have been proposed [1]: a non-axial propagation direction sensor and a multi-segmented sensor. In the paper [1], the y and thin rod shape is described. The crystal was 1mm in diameter and 40mm in length that requires a specially designed electrodes system, shown in Figure 2. Fiber Crystal Brass Electrodes 40 mm Figura 2. Sistem special de electrozi pentru un cristal electro-optic Figure 2. Special design of electro-optical crystal electrodes system Acrylic Cylinder 30 mm Senzorul Pockels a fost testat folosind instalaţia experimentală [1] din Figura 3. Ca sursă de lumină a fost folosit un laser HeNe funcţionând cu lungimea de undă λ = 632,8nm. Rezultatele măsurătorilor la aplicarea unei tensiuni alternative de până la 30kV cu frecvenţa 50Hz sunt prezentate în figura 4, comparativ cu măsurătorile făcute folosind divizorul rezistiv convenţional. Polarizer + λ/4 plate The Pockels sensor has been tested using the experimental [1] arrangement from Figure 3. A HeNe laser has been used as the light source, operating with a wavelength of λ = 632,8nm. The result of the measurements applying the ac voltage up to 30kV at 50Hz frequency are shown in Figure 4, in comparison with the measurements done using the conventional resistive divider. Power Source He-Ne Laser Crystal Analyser Lens Oscilloscope Light Detector Shielding b Optical Fibre High Voltage Source High Voltage Probe Pockels sensor Resistive divider Figura 3. Instalaţia experimentală pentru testarea senzorului Pockels Figure 3. The experimental arrangement for testing the Pockels sensor Figura 4. Comparaţia formelor de undă măsurate Figura 4. Comparison of measured waveforms Fascicolul de lumină colimat şi aliniat, trece printr-un sistem de electrozi, şi după ce traversează cristalul, este analizat prin alt polarizor orientat la π / 4 în raport cu axa cristalului. Folosind un sistem de lentile fascicolul de lumină este focalizat într-o fibră multimod cu diametrul de 1mm. Fibra optică ghidează lumina către un detector de lumină cu diodă PIN, conectată la un osciloscop digital. The collimated and aligned light beam passes through the electrodes systems, and after it crosses the fiber crystal, it is analyzed by another polarizer oriented at π / 4 with respect to the crystal axe. Using a microscope lens the light beam is focused in a large core multi-mode fiber that has a 1mm diameter. The optical fiber guides the light to a PIN photodiode light detector, connected to a digital storage oscilloscope.

06-07.11.2003, Timişoara, Romania 459 Alt tip de material care poate fi folosit pentru dispozitive electro-optice este α-cuarţul. α-cuarţul este o formă cristalină de cuarţ cu temperatura Curie mai mică decât 573 o C şi care prezintă efectul magneto-optic, efectul electrooptic şi efectul electro-girator. Astfel că, poate fi folosit pentru măsurarea câmpului magnetic sau electric folosind fie efectul electro-optic sau electro-girator [5] in combinaţie cu efectul magneto-optic. Schema de principiu [5] a unui astfel de dispozitiv, folosit pentru măsurarea simultană a curentului şi tensiunii este prezentată în Figura 5. Două piese de cuarţ sunt poziţionate de o parte şi de alta a barei şi sunt astfel plasate încât câmpul electric al sistemului de bare să.aibă aceeaşi poziţie relativă faţă de axele fiecărui cristal. Câmpul magnetic produs de curentul care parcurge bara va avea direcţii opuse pentru cele două cristale. Dispozitivele electro-optice sunt divizate în două clase: dispozitive cu fascicol liber şi cele cu fascicol protejat [5]. Dispozitivele cu fascicol liber folosesc fascicol de lumină direcţionat de jos în sus, de la pământ, trecând liber prin atmosferă ca să interogheze un sensor Pockels ataşat pe linia de înaltă tensiune. Fascicolul care poartă informaţiile cerute este direcţionat apoi în jos pentru a fi analizat de un receptor plasat pe pământ. Lungimea totală a fascicolului de lumină va fi de aproximativ 10 m. analyser acceptance direction Other type of material that can be used for electro optical devices is α-quartz. α-quartz is the stable form of crystalline quartz below its Curie temperature of 573 o C and exhibits the magneto optical effect, the electro optical effect and electrogyration effect [5]. So that, it can be used to measure electric and magnetic field using either the electro optical effect or electrogyration effect in conjunction with the magneto optical effect [5]. The schematic diagram [5] of such device, used for simultaneously measurement of current and voltage is shown in Figure 5. Two pieces of quartz are positioned one either side of a busbar, and are arranged so that the electric field of the system bears the same relationship to the crystal axes in each crystal. The magnetic field due to a current flowing in the bar will be in opposite directions for two crystals. The electro-optical devices are divided in two classes: the free-path and enclosed path devices [5]. The free-path devices use a light beam directed upwards from the ground to pass freely through atmosphere to interrogate a Pockels sensor attached to the high voltage line. The beam carrying the required information impressed on it is directed down to be analyzed by a ground based receiver. The total length of the light beam will be approximately 10 m. crystal orientation x 1 x 2 π/4 E x 1 x2 voltage x 3 + laser current Outputs Ieşiri sum and difference modules module de însumare şi diferenţă Photo-detectors Fotodetector E x 3 x 2 H x 1 Transducer on busbar Transductor pe bară Wollaston prism Half wave plate Figura 5. Schema de principiu a dispozitivului electro-optic de măsurarea simultană a curentului şi tensiunii Figure 5. The schematic diagram of the electro-optical device for simultaneously measurement of current and voltage Dispozitivele cu cale capsulată prezintă o cale protejată de propagare a fascicolului de lumină. Acestea pot fi de forma unui spaţiu de aer, a unei tije transparente sau a unei fibre optice conţinute în cadrul unui izolator de înaltă tensiune. În anumite aplicaţii cum ar fi măsurătorile de curent sau tensiune din staţii, este posibil să se bazeze doar pe proprietăţile izolante intrinseci ale fibrei optice. 3. Aplicaţii industriale Metodele optice de măsurare a curentului şi tensiunii în sistemele de înaltă tensiune au atras atenţia tot mai mult în ultimii ani. Corporaţia canadiană NxtPhase este cel mai important producător de senzori electro-optici de înaltă tensiune de la 115kV până la 765kV, folosind celule Pockels de mare precizie (clasa 0,2 pentru măsură şi 3P pentru protecţie) într-un domeniu larg (2%...200% U n ) cu The enclosed path devices provide a protected propagation path for the light beam. This may have the form of an air space, a transparent rod or an optical fiber contained within a high voltage insulator. In some applications such as generating station current and voltage measurement, it may be possible to rely on the intrinsic insulation properties of the optical fiber. 3. Industrial applications Optical methods for measurement of current and voltage in high voltage systems attracted more and more attention in the recent years. The Canadian Corporation NxtPhase is the most important producer of high voltage electro-optical transducers for 115kV to 765 kv, using high precision Pockels cells (class 0,2 for measure and 3P for protection) with a wide dynamic range (2%...200% U n )

460 The 5 th International Power Systems Conference frecvenţe de la 10Hz la 6kHz [11]. Senzorul de tensiune foloseşte un şir de celule optice Pockels poziţionate în interiorul unui izolator de trecere compozit. Acest senzor este mult mai sigur de utilizat datorită faptului că nu foloseşte SF 6 sau izolaţie hârtie-ulei. În schimb, foloseşte mai mulţi senzori electrici miniaturali, situaţi în interiorul izolatorului de trecere compozit, pentru a facilita măsurarea cu precizie sporită a tensiunilor. Poziţia senzorilor de câmp electric în interiorul coloanei izolante, precum şi modelul matematic al măsurătorilor, pentru a obţine tensiunea dorită, sunt determinate astfel încât schimbările din mediu şi din fazele sistemului trifazat (influenţe externe) să nu influenţeze măsurarea tensiunii. Intensităţile măsurate ale câmpurilor electrice se pot schimba în mod substanţial datorită acestor influenţe externe; totuşi, modul în care sunt combinate măsurătorile, precum şi poziţionarea senzorilor de câmp electric pot conduce la măsurători de tensiune insensibile la astfel de influenţe. Senzorii de câmp electric utilizează celule Pockels având locaţii bine stabilite în interiorul coloanei, şi anume: o celulă în zona vârfului, una în zona de mijloc şi alta în zona bazei coloanei izolante. Această coloana este umplută cu aer şi montată pe o structură suport de circa 2,5 m, iar circuitele electronice analogice şi numerice sunt plasate într-o cutie de cupru, imediat sub coloană. Fibrele optice ale senzorilor din interiorul coloanei trec printr-o gaură de la baza coloanei şi sunt conectate la circuitele electronice. Datele numerice, reprezentând intensităţile câmpurilor electrice măsurate prin intermediul celor 3 senzori, precum şi tensiunea măsurată prin intermediul circuitelor electronice, sunt transmise achizitorului de date. Costul senzorilor electro-optici poate fi important ca investiţie individuală, în schimb există avantaje financiare, dacă se ia în considerare costul total la beneficiar, corespunzător duratei de viaţă a staţiei. and a 10Hz to 6kHz bandwidth [11]. The transducer employs an array of optical Pockels cells within an advanced hollow core composite insulator. It does not use SF 6 or oil paper insulation making it safer to use. It also uses multiple miniature electric field sensors inside the hollow core composite insulator in order to measure voltage with high accuracy. The location of the electric field sensors inside the insulator composite column and the mathematical function combining the measurements to obtain voltage are both determined so that changes in the environment and other phases of a three-phase system, namely external influences, will not affect the voltage measurement. Electric fields measured can change substantially due to these external influences; nevertheless, the way that measurements are combined and the positioning of the electric field sensor can lead to a voltage measurement which is virtually insensitive to these influences. The electric field sensors use Pockels cells having specific locations inside the column, one near the top, one close to the middle and the third close to the bottom of the column. The insulator column was filled with air. The analog and digital electronics were housed inside a copper box, right underneath the column that was mounted on a approx. 2,5 m support structure. Optical fibers from the sensors inside the column passed through a hole at the bottom of the column and were connected to the electronics. Digital data representing the electric fields measured by the three sensors and the voltage measured (obtained from the electric fields measured) by the digital electronics were transmitted to a data acquisition computer. The cost of electro-optical sensors may be important as individual investments but the advantages are also financial if the overall cost of the owner over entire life cycle of the station is considered. Tabelul 1 Caracteristicile senzorilor de tensiune optici produşi de NxtPhase Table 1. The specifications of the NxtPhase s optical voltage sensors Tensiune/ Voltage [kv] Înălţime totală/ Total height [mm] Distanţa de străpungere/ Strike distance [mm] Distanţa de conturnare/ Creep distance [mm] Greutatea / Weight [kg] 100 1749 837 2514 130 121/123 1996 1030 3092 132 145 2233 1214 3646 135 169/170 2502 1424 4274 143 242/245 3159 2080 6616 155 300 3330 2242 6758 165 362 3412 2339 6900 170 420 4160 2989 9762 175 525/550 5239 3914 12783 190 765/800 7315 5693 18593 230 Caracteristici electronice şi electrice / Electronic and electrical specifications Interfaţa analogică de joasă energie / Low energy analog interface - 4V rms măsură şi protecţie / metering and protection Lăţime de bandă / Bandwidth 0,5Hz 6kHz Interfaţa analogică de înaltă energie / High energy analog interface - 69V rms /115 V rms /120 V rms Lăţime de bandă / Bandwidth 10Hz 6kHz Putere de intrare / Input power 135W Precizia de măsurare / Metering accuracy IEC class 0,2 Precizia de protecţie / Protection accuracy IEC class 3P Factor de suprasarcină / Overload factor 1,2 (continuu), 2 (30sec) Curent dinamic / Short-time current 63kA rms 1sec Nu în ultimul rând, un alt avantaj intrinsec al senzorilor electro-optici este că sunt proiectaţi pentru a proteja mediul ambiant de exploatare. Izolatorii nu conţin hârtie-ulei sau SF 6, ca material izolant, ci doar azot, neexistând astfel mecanisme interne, care în caz de defect, să pună în pericol personalul sau echipamentele. Certainly not in the last place, one of the intrinsec advantages of the electro-optical sensors is their environmentally friendly design. The insulators do not contain oil and paper insulation or SF 6 gas but only nitrogen, there is no internal mechanism for violent failure to endanger personnel or adjacent equipment.

06-07.11.2003, Timişoara, Romania 461 Caracteristicile senzorilor de tensiune optici produşi de NxtPhase [11] sunt prezentate în Tabelul 1. Senzorii electro-optici necesită dispozitive electronice de comandă care să genereze fascicolul laser şi să extragă semnalul de lumină polarizată. Kentech Instruments LTD din Anglia fabrică majoritatea generatoarelor laser. La alegerea unui dispozitiv de comandă al celulei Pockels se va ţine cont de următoarele considerente: - în general, dispozitivele de comandă au un preţ de cost mult mai mare decât al celulei Pockels; - celulele comandate longitudinal oferă cea mai mare precizie şi liniaritate, dar necesită tensiuni foarte mari; celulele comandate transversal necesită tensiune de comandă mai mică, dar prezintă stabilitate termică scăzută; - tensiunea necesară este proporţională cu lungimea de undă; comutaţia în jumătate de undă necesită o tensiune dublă faţă de cazul comutaţiei în sfert de undă; - celulele cu dublu cristal necesită o tensiune egală cu jumătate din tensiunea celulelor cu un singur cristal, în schimb au suprafeţe mai mari şi mai mult material; - preţul unui dispozitiv de comandă depinde proporţional de puterea de vârf (pătratul tensiunii), de rata impulsurilor şi viteza de creştere ; - circuitele de comandă cu avalanşă au timpi de creştere reduşi, dar nu suportă pulsuri lungi cu sarcini rezistive ; - timpul total de creştere al ansamblului celulă-dispozitiv de comandă depinde de capacitatea celulei, de sarcina rezistivă şi de timpul de propagare a câmpului electric prin cristal ; GEC Alshtom produce traductoare neconvenţionale cu senzori electro-optici. Senzorii electro-optici de tensiune şi curent sunt utilizaţi împreună cu instrumente digitale de monitorizare şi protecţie care includ amplificatoare, convertoare numerice, procesoare numerice de semnal şi interfeţe de comunicaţie care permit integrarea acestora în sistemul global de monitorizare şi/sau protecţie. Izolatorul compozit al traductorului optic de tensiune VTO susţine capul de măsurare şi asigură izolarea electrică faţă de şasiul metalic precum şi protecţia mecanică a fibrei optice, care face legătura între capul de măsurare şi dispo-zitivele nepotenţializate de condiţionare a semnalului Cablurile optice înglobează fascicolul optic principal şi fibrele optice de rezervă, pentru cazul apariţiei unor disfuncţionalităţi. GEC Alshtom a scos pe piaţă diferite tipuri traductoare individuale electro-optice de curent sau tensiune. Au fost deasemenea dezvoltate transformatoare combinate de curent şi tensiune cu senzori optici (CMO) destinate măsurării curentului şi tensiunii precum şi protecţiei. Integrarea în sistemele de monitorizare a transformatoarelor electro-optice de curent şi tensiune (CVT) se realizează prin intermediul unor module electronice speciale, oferite de diverşi producători. GEC Alshtom oferă şi alte soluţii pentru conectarea transformatoarelor electro-optice în staţiile de putere. Figura 6 prezintă una din configuraţiile posibile CVCOM-300. 4. Concluzii Tehnicile optice de măsurare în sistemele de mare putere şi înaltă tensiune s-au dezvoltat ca urmare a avantajelor oferite, printre care: nivel de izolaţie electrică ridicat, bandă de frecvenţe ridicată, imunitate la interferenţele electromagnetice, greutate redusă. The specifications of the NxtPhase s optical voltage transducers [11] are presented in Table 1. Electro-optical sensors need electronic drivers to generate the laser beam and to extract the signal from the polarized light support. Many of the pulse generator manufactured by English Company Kentech Instruments LTD are suitable for driving Pockels cells. When considering a suitable Pockels cell driver, several considerations should be considered: - drivers generally cost considerably more than Pockels cells; - longitudinally driven cells offer the highest accuracy and linearity but require highest voltages; transverse driven cells require less drive voltage but exhibit lower thermal stability; - the voltage required is proportional to the wavelength; half wave switching requires twice the voltage of quarter wave switching; - double crystal cells require half the voltage of single crystal cells but have more surfaces and more crystal material. - the price of a driver scales like the peak power (voltage squared), the repetition rate and the reciprocal of the risetime; - avalanche drivers offer faster rise times but cannot support long pulses into resistive loads. - the risetime of a cell - driver pair depends upon the cell capacitance, the effective charging resistor and the transit time of the drive pulse across the crystal, or the time it takes to fill the crystal with the electric field; GEC Alshtom produces nonconventional transducers with electro-optical sensors. The current and voltage optical sensors are used with monitoring and protection digital instruments which includes amplifiers, digital converters, digital signal processors and the communication interfaces that allow to integrate the instrument in global monitoring and/or protection systems. The composite insulator of the optical voltage transducer VTO sustains the measurement head and provides electrical isolation from the metallic chassis and mechanical protection of the fiber optic that links the measurement head with the unpotentialised signal conditioning devices. Optical cables gather the main optical beam and spare fibers to replace the main beam when its malfunction occurs. GEC Alshtom put on the market different types of electro-optical current and voltage stand alone transducers. The Combined Measurement current-voltage transformer with Optical Sensors (CMO), have also been developed, being dedicated to measure the current and the voltage of the high voltage lines, as well as for metering and protection applications. The integration of the electro-optical current and voltage transformers (CVT) in the monitoring systems is realized through special electronic modules supplied by different producers.gec Alshtom offers many solutions for connecting electro-optical CVT in the power stations. Figure 6 presents one of the possible configurations CVCOM -300. 4. Conclusions Optical measurement techniques used in high voltage power systems have been developed due to the following advantages: high electrical insulation level, high potential bandwidth, immunity to electromagnetic interferrences, reduced weight.

462 The 5 th International Power Systems Conference Control Module MODBUS 9600 Configuration Memory Autodiagnose Maintenance PC Display Communication Bus Sensor Modules Interfaces Current (Faraday, Rogowski) Voltage (Pockels, Capacitive) Conventional CVTs Digital: IEC 44.8 2,5 MHz Voltage: 1V/10kΩ or 0,1V/10 kω; Current: 1A/0,5 VA; Voltage: 120V/ 3 Figura 6. Schema modulară a platformei CVCOM 300 Figure 6. The modular diagram of the CVCOM-300 platform Aceste tehnici se întâlnesc în aplicaţii de măsurare a fenomenelor rapid tranzitorii din reţelele de înaltă tensiune, în sistemele de diagnosticare on-line pentru monitorizarea componentelor cum ar fi generatoare, transformatoare şi dispozitive de comutaţie, precum şi în sistemele de protecţie numerice. Senzorii optici de măsurare a tensiunii se bazează pe efectul electro-optic sau efectul Pockels. Întrucât tensiunea maximă este limitată la câţiva kv, senzorul de tensiune este folosit în combinaţie cu un divizor de înaltă tensiune. Fenomene secundare cum ar fi efectul piezoelectric sau elasto-optic sunt eliminate printr-o proiectare corespunzătoare a cristalului folosit ca material optic. Firme de prestigiu din lume cum ar fi NxtPhase din Canada sau GEC Alsthom din Franţa au dezvoltat deja diverse echipamente electro-optice destinate măsurării înaltei tensiuni în sistemele de putere, în domeniul 115kV -765 kv. These techniques can be applied in mesurement applications of fast transient phenomena in high voltage networks and testing circuits, in on-line diagnostic sytems for monitoring components such as generators, transformers and switchgears, as well as in sensors for digital protection systems. The optical sensors for voltage measurement are based on the electro-optical effect or the Pockels effect. The optical voltage sensor is used in combination with a high voltage divider, due to the fact that the maximum voltage is limited to several kv only. A proper design of the optical crystal eliminates the secondary effects like the piezo-electrical effect or elasto-optical effect. Worldwide prestigious companies such as NxtPhase from Canada and GEC Alsthom from France have already developed various electro-optical devices used for the high voltage measurement in power systems, in the range 115 kv 765 kv. Bibliografie (References) 1. Santos, J.C., Taplamacioglu, M.C., Hidaka, K., Optical high voltage sensors using Pockels fiber crystals, 10 th International Symposium on High Voltage Engineering, Montreal, Quebec, Canada, August, 25 29, 1997, pp. 475 2. Rutgers, W.R., Hulshof, H.J.M., Laurensse, I.J., van der Wey, A.H., Optical Sensor for the Measurement of Electric Current and Voltage, Kema Scientific & Technical Reports 5 (11): 281-292, 1991 3. Rutgers, W.R., Kleijne, M., Coreman, C.G.A., van der Wey, A.H., Fiber-optic Current and Voltage Sensors for Application in High Voltage Systems, Kema Scientific & Technical Reports 8 (6): 367-374, 1990 4. Sawa, T., Kurosawa, K., Kaminishi, T., Yokota, T., Development of Optical Instrument Transformers, IEEE Trans. Power Delivery, Vol.5, No.2, April 1990, pp. 884 5. Rogers, A.J., Method for simultaneous measurement of current and voltage on high voltage lines using optical techniques, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, Vol.123, No.10, October 1976 6. Santos, J.C., Hidaka, K., Kouno, T., Direct High Voltage Measuring Using Pockels Sensor, Proceedings of the International Conference On Electrical Engineering, Taejon, Korea, 1995, pp. 407; 7. Rogers, A.J., Optical Measurement of Current and Voltage on Power Systems, IEE Journal of Electrical Power Applications, 1979, pp.120-24 8. Kobayashi, S., Horide, A., Takagi, I., Higaki, M., Takahashi, G., Mori, E., Yamagiwa, T., Development and Field Test Evaluation of Optical Current and Voltage Transformers for Gas Insulated Switchgear, IEEE Transactions on Power Delivery, vol.7, No.2, April, 1992, pp. 815 9. Rogers, A.J., et al., Optical Technique for Measurement of Current at High Voltage, Proceedings IEEE, vol.120, No.2, 1973, pp. 261 10.Mitsui, T., et al., Development of Fiber-optic Voltage Sensors and Magnetic Field Sensors, IEEE Transactions on Power Delivery, vol.pwrd-1, No.1, January, 1986, pp. 87-93 11.***, NxtPhase Technical Specifications, NXVT Optical Voltage Sensor, www. nxtphase.com 12.***, GEC Alsthom Technical Specifications, www.gecalsthom.com