Optik Ölçü Gerilim Trafoları

Optik trafolar, sağladığı üstünlükler ile birçok uygulamada öncelikli tercih nedeni olmaktadır. Bu yazımızda ışığın özelliklerini, elektro-optik etkiyi ve optik ölçü transformatörlerini ve üstünlüklerini inceledik.

A- A+

22.09.2016 tarihli yazı 22578 kez okunmuştur.

Optik Trafo Işık Kerr Pockel Elekro-Optik Ölçü

Neden Işık?

Başta iletişim olmak üzere günümüz teknolojisinde kullanılan elektromagnetik bölge, artan veri aktarımı istemini karşılayamamakta (özellikle internetin günlük yaşamımızda daha da fazla girmesi ile) ve gerek bilgi işlemede gerekse bilgi iletmede doyuma ulaşmıştır. Bu teknolojik çıkmazdan, daha yüksek sıklıkları olan elektromagnetik dalgalar (ışık) kullanarak çıkmak mümkündür. Bu anlamda ışık dalgasının elektronik teknolojisine göre sunduğu bir çok üstünlükleri vardır:

Sinyal Kalitesi: Lazerlerle (tek renkli ışık) birlikte sinyalin bozulmadan ve parazit etkilerden etkilenmeden optik fiberler içersinde uzun mesafeler boyunca iletilmesi mümkündür.

Güvenli ve Ucuz Bilgi iletimi: Işık sayesinde bilgi daha güvenli ve ucuz iletilebilir. Optik fiberlerde ışık, uzun mesafeler boyunca az kayıpla ve güvenli olarak iletilebilmektedir.

Yüksek Bant Genişliği: Optik fiber içinden ışık ile iletimin elektronlarla yapıldığı metal tellere göre birim zamanda çok daha fazla bilgi iletilebilir. Optik fiber, yaklaşık GHz mertebesinde (yüksek bant aralığı) bilgi taşıma kapasitesindedir. Optik fiberler, metalik telefon hatlarına göre 100 milyon kez daha fazla bilgi taşıyabilmektedirler.

Işığın Özellikleri:

Sıklık (n)
Dalgaboyu (l)
Hız { 1) Faz hızı (vp=c) - 2) Grup hızı (vg) }
Şiddet (I)
Ucaylanma (doğrusal, dairesel, eliptik)

Optik Bilimi

1) Işın optiği
2) Dalga optiği
3) Elektromagnetik Optik
4) Kuantum Optiği olarak 4 e ayrılır.

Biz bu kısımda elektromagnetik optiğin alt dalı olan Elektro-Optiği inceleyeceğiz. Bir maddenin optik özelliklerinin ışık frekansına göre daha yavaş değişen elektrik alana tepkisidir. Bir malzemenin optik özelliği uygulanan dış elektrik alan ile değişikliğe uğrayabilir. Bu etki Elektro-optik etki olarak tanımlanır. Başka bir tanımla kırılma indisinin dış elektrik alanla değişmesi elektro-optik olay olarak adlandırılır. Doğrusal ve karesel elektro-optik olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Uygulanan dış elektrik alanın bir fonksiyonu olarak kırılma indisindeki değişme aşağıdaki gibidir.

►İlginizi Çekebilir: Optoelektronik | 1. Bölüm

Doğrusal Elektro-Optik Etki (Pockels Etkisi):

Maddenin kırılma indisinin değişmesi uygulanan alan ile doğrusal olarak değişiyor ise gözlenen olay, doğrusal elektro-optik olay diye adlandırılır. Bu olay ilk defa Pockels tarafından gözlendiğinden Pockels olayı olarak bilinir.
İki çapraz ucaylandırıcı arasına yerleştirilmiş kristal malzeme, değişen elektrik alan etkisine maruz kalınca, kristal ışık modülatörü gibi davranır. Böyle bir sistem Pockels hücresi olarak adlandırılır.

Pokkels hücresinde fazlar farkı ile kırılma indisleri farkı arasında;

ilişkisi vardır. Burada;

L: Uygulanan elektrik alana dik kristalin boyu,
λ: Kristal içinde ışığın dalga boyudur.

Karesel Elektro-Optik Etki (Kerr Etkisi):

Yapılan deneysel çalışmalar, simetri merkezine sahip olan kristallerde, uygulanan dış elektrik alan şiddetinin karesine bağlı olan değerlerde, karesel elektro-optik olay diye adlandırılan bir olayın gözlendiğini göstermiştir. Bu olay 1875 yılında ilk defa Kerr tarafından gözlendiğinden Kerrolayı diye adlandırılır.

Kerr olayında ışınlar arası fazlar farkı:

formülü ile hesaplanır. Burada:

L: Uygulanan elektrik alana dik kristalin boyu
P= b/λ :Değişmez büyüklük olup, Kerr parametresi olarak adlandırılır.

Optik Akım ve Gerilim Transformatörleri Çalışma İlkesi

Bu transformatörde akım ve gerilim ölçümü aynı anda yapılabilmektedir. Her iki ölçüm için birleşik algılayıcı kullanılmıştır. Bu transformatörlerde de magnetik doyma ikincil yan kısa devresi, ferrorezonans ve dış etkilerden etkilenme gibi olumsuzluklar görünmemektedir.

NxtPhase firmasının ürettiği NXVCT (akım ve gerilim ölçümü) modelinin blok şeması gösterilmektedir. Akım ve Gerilim Ölçüm Şeması

Akım ve gerilim algılayıcıları tarafından algılananan büyüklükler fiber optik kablo yardımıyla opto-elektronik ölçüm kutusuna gönderilir. Opto-elektronik çıkışında bulunan yükselteçler akım ve gerilim sinyallerinin değerlerini yükselterek ölçüm aygıtına gönderir. Gönderilen değerler ölçülerek akım ve gerilim ölçümü yapılır.

Aşağıdaki şekilde ise üç fazlı bir iletim hattında her faza bağlanan NXVCT (akım ve gerilim transformatörleri) gösterilmektedir. Ölçüm değerlerinin okunup değerlendirildiği kontrol birimi vardır. Ayrıca uzaktan iletişimin sağlandığı verilerin ana merkeze iletimini sağlayan haberleşme birimide vardır.

Üç Fazlı İletim Hattına NXVCT Bağlanması

►İlginizi Çekebilir: Direk Tipi Trafo Merkezleri

Optik Ölçü Gerilim Transformatörleri

Optik olarak yüksek gerilim ölçümlerinde kullanılan transformatörlerde Pockels etkisine dayanan algılayıcılar kullanılmaktadır.Bu kısımda optik ölçü gerilim transformatörlerinin yapısı ve çalışma ilkesi anlatılacaktır.

Optik Gerilim Algılayıcı Çalışma İlkesi:

Şekilde örnek bir optik gerilim algılayıcı şeması gösterilmektedir. Doğrusal ucaylı ışık elektrik alan uygulanmış bir elektro-optik malzemeden geçirilerek eliptik ucaylanmaya dönüşür. Eliptik ucaylanmaya uğrayan ışık ucaylaştırıcıdan geçerek optik algılayıcıya gider. Optik algılayıcı yardımıyla eliptik ucaylanmış ışık arasındaki faz farkı algılanır ve ölçüm yapacak birime gönderilir.

Aşağıdaki görselde bir optik gerilim trafosu örneği görülmektedir.

Optik Gerilim Transformatörlerinin Üstünlükleri

Optik olarak yüksek gerilim ölçümlerinde kullanılan transformatörlerde elektro-optik algılayıcılar kullanıldığından bu transformatörlerin, geleneksel ölçü transformatörlerinden bazı üstünlükleri vardır. Geleneksel ölçü transformatörlerinin olumsuz özelliklerinden bazıları şöyle sıralanabilir;

► Yüksek yalıtım maliyetleri
► Boyut ve ağırlıkları
► Doğrusal olmamaları
► Histerezis
► Ark
► Elektromagnetik girişim

Bu istenmeyen olumsuz özellikler optik ölçü transformatörü kullanarak giderilebilir. Optik ölçü transformatörlerinin bazı üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. Bu üstünlükler koruma ve ölçmede bize büyük faydalar sağlamaktadır.

► Elektromagnetik girişimden etkilenmemesi,
► Doyma sorununun olmaması,
► Geniş sıklık aralığında doğrusal tepki vermesi,
► Daha geniş bant aralığı (0.5 Hz - 6 kHz)
► İkincil sargı kısa devre sorunu yoktur
► Küçük boyutları, hafif olması ve yalıtımlarının hafif olan galvaniz ile sağlanması,
► Güvenlik ve çevre koruma üstünlükleri olarak sıralanabilir.

Kaynak:

►SASCHA LIEHR, (2006)“Optical Measurement of Currents in Power Converters”, Master’s Degree Project in Electrical
Measurement Technology report no. XR-EE-MST 2006:001
Stockholm, Sweden
►NXVCT Optical Voltage & Current Sensor (http://www.ieso.ca/imowebpub/200705/rm_pres-20070307-Ontario-
IESO-Pres.pdf)