مستشعر قياس المجال الكهربائي المكثف للتيار المستمر

تم تصميم المستشعر الضوئي الكهربائي بشكل متكامل (EO) من الليثيوم ونيوبات (LN) وبشكل مدمج مع قطب كهربائي التدريع الدوار، كما ويتم تصنيعه وإثباته تجريبياً لقياس المجال الكهربائي للتيار المباشر المكثف (DC)، ونظراً لأنه يتم تدوير قطب التدريع فقط؛ فلا توجد مشكلة في توصيل دوران الألياف الضوئية.

أهمية مستشعر قياس المجال الكهربائي المكثف للتيار المستمر

يلعب قياس المجال الكهربائي للتيار المباشر دوراً مهماً في توجيه التصميم الأمثل لخطوط نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) ومحطات التحويل، وكذلك في دراسة الظواهر الجوية مثل العواصف الرعدية، كما تم تطوير مستشعر الطاحونة الميدانية الذي يتكون من دوار واقي ولوحة استشعار أولاً واستخدامه لقياس المجال الكهربائي للتيار المستمر.

ومع ذلك؛ فإنه لا يمكن تجاهل تداخل الهيكل المعدني مع المجال الأصلي، وبالإضافة إلى ذلك؛ فهو غير مريح في التطبيقات العملية حيث يجب توصيل كل من دوار التدريع ولوحة الاستشعار بالأرض، ولتصغير بنية المستشعر وتحسين دقة القياس، بحيث تم تطوير مستشعر المجال الكهربائي القائم على النظام الميكانيكي الكهروميكانيكي (MEMS) لكل من قياس المجال الكهربائي للتيار المتردد والتيار المتردد.

وعلى الرغم من ذلك؛ يتطلب المستشعر المشغّل المصغر المشغّل بالكهرباء الساكنة جهداً عالياً للقيادة، بينما يحتاج المستشعر الكهروستاتيكي الصغير المدفوع حرارياً إلى مزيد من تبديد الطاقة، وعلاوة على ذلك ونظراً لأنه سيتم إزاحة أقطاب التدريع نحو مصدر المجال الكهربائي، وفي وجود حقول كبيرة؛ فإن هذا النوع من مستشعرات المجال الكهربائي غير مناسب.

ومقارنةً بالنوعين المذكورين أعلاه من مستشعرات المجال الكهربائي المعدني؛ فإن مستشعر المجال الكهربائي البصري له تفوق بما في ذلك اضطراب المجال المهمل وعرض النطاق الترددي العريض والعزل الممتاز والمناعة الجيدة للتداخل الكهرومغناطيسي.

تكوين أجهزة الاستشعار الخاصة بقياس المجال الكهربائي

نظام الاستشعار

يظهر الرسم التخطيطي لنظام الاستشعار لقياس المجال الكهربائي للتيار المستمر في الشكل التالي (1)، وكما يمكن رؤيته؛ فإن الموجة الضوئية المستقطبة الخطية الناتجة من الليزر القابل للضبط متصلة بمستشعر المجال الكهربائي المتكامل (EO DC) باستخدام ألياف الحفاظ على الاستقطاب (PMF)، كذلك يتكون مستشعر المجال الكهربائي المتكامل (EO DC) من مستشعر الدليل الموجي البصري وإلكترود التدريع الدوار.

وعندما يدور قطب التدريع؛ يتعرض قطب الاستشعار بشكل دوري إلى مجال كهربائي مما يؤدي إلى توليد جهد التيار المتردد المستحث [u (t)] بين قطبي الاستشعار المتوازيين، ثم يتم إنشاء مجال كهربائي تيار متردد [EAC (t) = u (t) / Gel]، أما (Gel) هو فجوة في قطبي الاستشعار المتوازيين بين قطبي الاستشعار المتوازيين.

وبناءً على تأثير (EO) لبلورة (LN)؛ سيتم تغيير مؤشر انكسار الدليل الموجي البصري في ظل هذا المجال الكهربائي، مما ينتج عنه تغيير طور الموجة الضوئية التي تنتقل في الدليل الموجي البصري، لذلك يتم تعديل الموجة الضوئية بواسطة المجال الكهربائي المستحث بالتيار المتردد (تعديل الطور البصري)، أي يتم تحميل معلومات المجال الكهربائي للتيار المستمر على الناقل البصري.

في الطرف المستقبِل؛ فإنه يتم إرسال الإشارة الضوئية المُعدَّلة الناتجة من المستشعر إلى كاشف الصور (PD) باستخدام الألياف أحادية الوضع (SMF)، كما يمكن الحصول على المجال الكهربائي للتيار المستمر أخيراً وفقاً للإشارة الكهربائية الناتجة من (PD).

مبادئ التشغيل

يظهر في الشكل التالي (2) تكوين مستشعر المجال الكهربائي المدمج (EO DC).

وكما يظهر في الشكل؛ فإنه يتكون مستشعر المجال الكهربائي المدمج (EO DC) المقترح من دليل موجي ضوئي متكامل (MZI)، كذلك قطبين مستشعرين متوازيين وقطب كهربائي ومحرك (DC) صغير، بحيث يحتوي قطب التدريع على ثلاث لوحات معدنية على شكل مروحة متصلة بعمود المحرك، وعندما يدور المحرك بسرعة (n) دورة في الدقيقة (RPM)؛ فإنه يدور قطب التدريع بسرعة (n RPM) أيضاً، مما ينتج عنه تعرض قطب الاستشعار للمجال الكهربائي (DC) في فترة (60 / 3n).

واستناداً إلى المبادئ الأساسية لمستشعر المجال الكهربائي (DC) للمحرك؛ فإنه يتم إعطاء الشحنات المستحثة [Q (t)] على قطب الاستشعار بواسطة:

حيث أن

(ε0): هو ثابت العزل الكهربائي في الفراغ.

(E): هو المجال الكهربائي للتيار المستمر تحت القياس.

[S (t)]: هي مساحة سطح قطب الاستشعار المعرض للمجال الكهربائي.

(S0): هي مساحة السطح لكل فصل.

(N): هو عدد الفصوص في قطب التدريع، وهي السرعة الزاوية لقطب الاستشعار، لذلك يمكن وصف المجال الكهربائي المستحث بالتيار المتردد [EAC (t)] على أنه:

حيث أن (Gel ،Cel) هما الفجوة والسعة بين قطبي الاستشعار، لذلك إذا كانت وظيفة النقل بين المجال الكهربائي (DC ،AC) هي (T (t) = ε0NS0 [1-cos (Nωt)] / GelCel)؛ فإنه يمكن تبسيطها من خلال:

تصميم وتصنيع أجهزة الاستشعار الخاصة بقياس المجال الكهربائي

استناداً إلى (COMSOL MULLTIPHYSICS) تم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للمستشعر، وكما يظهر في الشكل (3-a)، بحيث تم تصميم ثلاث ألواح معدنية على شكل مروحة بنصف قطر (24) مم وزاوية مركزية (60) درجة كقطب كهربائي، كذلك تم تصميم لوحين معدنيين بطول (25) مم وعرض (2) مم وفجوة تبلغ (10) مايكرومتر كقطب استشعار.

ونظراً لأن طول القوس للقطاع هو (8-25.1) مم؛ فإنه يمكن حماية قطب الاستشعار بالكامل عند تدوير قطب التدريع، حيث أن الفجوة العمودية بين قطب التدريع وقطب الاستشعار هي (2) مم، كما تم إنشاء قطبين كهربائيين متوازيين للوحة بمسافة (10) سم ومساحة (250 × 150) سم² لتوليد مجال كهربائي موحد مكثف للتيار المستمر، وذلك مع توصيل أحد قطبي الألواح المتوازية بجهد عالٍ قدره (10) كيلو فولت، كما يتم إنشاء مجال كهربائي مكثف للتيار المستمر يبلغ (100) كيلو فولت/ م بين قطبي اللوحة ويتم تطبيقه على المستشعر.

وبافتراض أنه عندما يتم تدوير قطب التدريع عند (0) درجة؛ يكون قطب الاستشعار محمياً بالكامل بواسطة قطب التدريع، ومن خلال تدوير قطب التدريع إلى زوايا مختلفة؛ تتم محاكاة توزيع الجهد الكهربائي على قطب الاستشعار، بحيث يعطي الشكل (3-b) توزيعات الجهد الكهربائي عند تدوير قطب التدريع عند (0) درجة و (30) درجة، (60) درجة، (90) درجة و (120) درجة.

وكما يتضح عندما تكون درجة الدوران (0) درجة؛ يكون فرق الجهد الكهربائي بين قطبي الاستشعار صغيراً جداً باستثناء طرفيه، ومع زيادة عزم الدوران؛ يزداد فرق الجهد أيضاً، أما عندما تكون درجة الدوران (60) درجة، بحيث يتعرض قطب الاستشعار بالكامل للمجال الكهربائي مما يؤدي إلى أقصى فرق الجهد الكهربائي.

وأخيراً تم اقتراح وتصميم وتصنيع وقياس مستشعر (EO) متكامل لقياس مستشعر المجال الكهربائي للتيار المستمر، ومن خلال دمج مستشعر الدليل الموجي البصري مع قطب كهربائي دوار؛ فإنه يتم تحويل المجال الكهربائي للتيار المستمر تحت القياس إلى مجال كهربائي تيار متردد، لذلك لا يعاني المستشعر من مشكلة توصيل الدوران البصري.

إلى جانب ذلك وباستخدام الألياف الضوئية لإدخال الإشارة وإخراجها؛ يتمتع المستشعر بحصانة جيدة للتداخل الكهرومغناطيسي، كما تظهر نتائج التجربة أن المستشعر يظهر خاصية خطية جيدة مع المجالات الكهربائية للتيار المستمر التي تتراوح من (4 kV / m إلى 220 kV / m)، بحيث توضح كل هذه النتائج أن المستشعر لديه القدرة المحتملة لاستخدامه لقياس المجال الكهربائي المكثف للتيار المستمر.