YÜKSEK GERİLİMLERİN OPTİK YOLLA ÖLÇÜLMESİ
NEDEN OPTİK MALZEME? Optik malzemeler Elektromanyetik girişimden etkilenmez. Kompozit malzemelerin yaygın kullanılması elektromanyetik etkileri azaltmaktadır. Geniş frekans aralığında doğrusal tepki verir. Optik malzemelerin çalışma frekansları geniş olduğundan doğrusal sonuçlar almak daha kolaydır Küçük boyutları, hafif olması yalıtımlarının hafif olan galvaniz ile sağlanmasına olanak verir. Güvenlik ve çevre koruma avantajlarına sahiptir.
KONVANSİYONEL ÖLÇÜMÜN DEZAVANTAJLARI Yüksek yalıtım maliyetleri Diğer ölçüm yöntemlerinde gerekli yalıtımın sağlanması için büyük maliyetler gereklidir Boyut ve ağırlıkları Optik ölçüme göre deney düzeneğinin boyutları çok artar Doğrusal olmamaları Histerisis Ark Konvansiyonel ölçümde daha fazla ark oluşur ve ark oluşması da istenen bir durum değildir optik ölçüm bu yönden daha avantajlıdır Elektromanyetik girişim Manyetik etkiler bu yöntemde artar ve elektromanyetik etkiler de ölçümü ve sonuçları olumsuz etkiler
POLARİZASYON NEDİR? Polarizasyon dalganın hareket yönüne dik gelen düzlemdeki salınımların yönünü tanımlayan yansıyan dalgaların bir özelliğidir. Elektrodinamikte ise polarizasyon ışık gibi elektromanyetik dalgaların elektrik alanının yönünü belirten özelliği ifade eder Işık elektro-manyetik dalga seklinde ilerler. Yani ışık kendi doğrultusunda giderken sağa sola, aşağı yukarı hareket eder Işığın filtreler ile tek yönlü titreştirilmesine polarizasyon denir
Polarizasyon türleri Eğer ışık sadece elektrik alan dalgasına sahipse tek yönde ilerler ve buna doğrusal polarizasyon denir. Diğer polarizasyon şekilleri; Dairesel polarizasyon Dairesel kutuplanmada elektrik vektörü,dalga yol alırken ilerleme ekseni çevresinde döner Eliptik polarizasyon Eliptik polarizasyonda elektrik alan vektörü ilerlerken hem yönü hem büyüklüğü değişir.
ELEKTRO OPTİK ÇÖZÜMLER İki çözüm mevcuttur. Bunlar; Pockels Etkisi (Gerilim) Faraday Etkisi (Akım)
ELEKTRO- OPTİK GERİLİM SENSÖRLERİ
POCKELS ETKİSİ Elektrik alanına maruz kalan bazı maddeler içinde doğrusal kırılma indisi değişiminin artmasıyla pockels etkisi oluşmaktadır. Doğrusal kırılma indisi değişimi polarize edilmiş ışıktaki farklı bileşenlerin farklı hızlarda gitmesine neden olurlar.
Kırılma indeksi uygulanan elektrik alanına göre bir güç serisi kullanılarak açıklanabilir : n=no+re+se2+ Burada ; no : doğal kırılma indeksi r ve s : elektro-optik etkinin katsayıları 2. terim: Pockels etkisine karşılık elektrik alanın doğrusal etkisini, 3. terim: Kerr etkisine karşılık gelen karesel bağımlılığı göstermektedir.
Çok Dilimli Pockels Ölçüm Sistemi ile Gerilim Ölçümü Kristaller arasına aralayıcılar yerleştirilmiştir. Cihaz içerisinde sensör elemanları dilim şeklinde BGO (Billium- Germanium Oxide) kristallerden oluşmaktadır. Elektrot aralığını azaltmak için sensör sistemine 1 atmosfer (760 Torr) basınçta SF6 gazi doldurulmustur. Akrilik fanus (chamber) kullanılmıştır. Üst levha etrafına koronayı önleyecek bir toroidal metal halka yerleştirilmiştir.
Çok Dilimli Pockels Ölçüm Sistemi ile Gerilim Ölçümü Deneyi Sensör sisteminin elektriksel karakteristiğinin detaylıca çıkarılması açısından DC, AC ve yıldırım darbe olmak üzere üç tip gerilim dalga şekli uygulanmıştır. DC gerilim 50-250 kv aralığında ve bir saatten uzun bir ile sisteme uygulanarak kaydedilmiştir. AC gerilim testi optik sensöre kapalı tip bir deney transformatöründen 50 Hz frekans ve 50 kv ile 250 kv gerilim aralığında kademeli arttırılarak uygulanmıştır. 50 kv ile 400 kv degerleri arasinda darbe gerilimi sisteme uygulanmış ve dalga şekilleri osiloskoba kaydedilmiştir. Sonuç olarak; DC gerilim ölçümleri referans gerilim bölücüsü ölçümleri ile paralellik göstermiştir. AC gerilim ölçümleri teorik değerlerle benzerlik göstermiştir. Bu gerilim ölçümleri 400kV a kadar ve frekans aralığı DC den MHz seviyesine kadar hassas olarak gerçekleştirilmiştir.
FARADAY SENSÖRÜ İLE AKIM ÖLÇÜMÜ Manyetik alana maruz kalan aktif olmayan izotropik maddeler içinde ilerleyen polarize edilmiş ışığın manyetik alan vektörüne paralel olacak şekilde dönmesiyle oluşmaktadır. Manyetik alanın büyüklüğüne göre referans isinin yönüyle yapılan açı değişmektedir.
Şekil de Faraday malzemesinden geçen doğrusal kutuplanmış ışık E, polarizasyon düzleminde Θ açısı kadar dönerse dönme açısı aşağıdaki eşitlikle bulunabilir.
Yayılmaya paralel olan elektrik alan bileşeninin rotasyonu bu vektör çarpımı ile açıklanabilir. Eğer sensör akım taşıyan iletken etrafında bir tur sarılırsa; α= VI Nc kadar sarılırsa; α= NcI olur.
Fiber Optik Faraday Akım Sensörü Bu şekilde ise fiber optik, akım taşıyan iletken etrafına sarıldığından, fiber içerisindeki doğrusal kutuplanmış ışığın polarizasyon düzlemi dış manyetik alan nedeniyle dönmektedir. Polarizasyon, ışığın yalnızca elektrik alanı ile ilgili bir kavramdır ve ışığın manyetik alan bileşeni daima elektrik alanına dik ve orantılıdır.
FİBER OPTİKLER NELERE DUYARLIDIR? Manyetik ve elektrik alan Titreşim Yerdeğiştirme Hız İvmelenme Sıcaklık Basınç Kimyasal konsantrasyon Ph degeri
MANYETO - OPTİK ETKİ 3 etki manyetik alan içerisindeki malzemenin optik özelliklerini değiştirir. FARADAY ETKİSİ Doğrusal polarizeli ışığın polarizayonunun dönmesi COTTON-MOUTON ETKİSİ Alan etkileşimli kırılma indeksi değişimi KERR ETKİSİ Manyetik alan etkisi ile kırılma indeksinin alanın karesi ile değişimidir.
Faraday Etkisi Faraday etkisi, ya da «Manyetik Dairesel Ciftkırınım», manyetik alanda ilerleyen bir ışık dalgasının polarizasyon açısını değiştirmesi olayıdır. (1946) Işığın bir elektromanyetik dalga teorisi daha sonra 1860 larda Maxwell tarafından formülize edildi.
Cotton Muoton Etkisi Işığın kendisine dik transverse manyetik alan ile uyarılmış bir izotropik (uniform) ortamdan geçerken çiftkırınıma uğraması olayıdır.
Kerr Etkisi Bir materyalin kırılma indisinin elektrik alana bağlı olarak değişmesi olayıdır.
Interferometre Interfere, «Girişim», ölçüm cihazlarına verilen genel addır. Bu tür cihazların genel amacı, ışığın yapısı ve ortamdan nasıl etkilendiği hakkında bilgi edinmektir.
İNTERFEROMETRE KULLANIMI İKİ KOLLU İNTERFEROMETRELER Mach-Zehnder Michelson
Mach Zender İnterferometresi Sample, «Deney ortamı», ışığın yapısını (örneğin faz açısını) değiştiriyor ise, 1 ve 2 no.lu dedektörlerden bu değişim tespit edilir.
Michelson İnterferometresi
Deney Düzeneği
Transverse Yürüyen Dalgalar
DOĞRU AKIM ÖLÇÜMÜ Optik olarak aktif malzemeler manyetik etki altında doğrusal polarizasyonlu ışığı döndürür (Faraday Etkisi). Sensör çıkışında rotasyon açısı oluşur ve interferometrik sistemde bu saçakları oluşturur. Uygulamalarda polarizasyonu korumak için genelde tek modlu polarizasyon korumali fiber kullanılmaktadır.
DOĞRU AKIM ÖLÇÜMÜ Küçük Akım Ölçüm Düzeneği
DC AKIM ÖLÇÜMÜ DENEY DÜZENEĞİ
DC AKIM ÖLÇÜMÜ DENEY DÜZENEĞİ
TEST DÜZENEĞİNİN HAZIRLANMASI Tek modlu polarizasyon korumalı fiber optik tercih edilmistir. Titreşime karşı korumalı yüzen optik masa kullanılmıştır. Optik kablonun yerleştirilmesi için yivli aparat kullanılmıştır. Hassas zımpara ile fiberler zımparalanmıştır. Mach-Zehnder tipi interferometre kurulmuştur. 300 sargılı bobin fiber optik üzerine sarılmıştır.
DC AKIM ÖLÇÜM SONUÇLARI Akım seviyesi 1mA den 50 ma e kadar artırılmıştır. 35 ma seviyesine gelindiğinde osiloskopta sinyal görülmeye başlanmıştır. Her 1 ma artışta çıkış geriliminde 0.25 mv yükselme görülmüştür. 35-50 ma arasında doğrusal değişim elde edilmiştir. Sistemin yanıtı 0.25 mv/ma olmuştur.
DC AKIM OSİLOSKOP GÖRÜNTÜLERİ 36 ma 37 ma
AC AKIM ÖLÇÜM SONUÇLARI Optik sistem 10 ma e geldiginde cevap vermeye başlamıştır. 10 ma de çıkış gerilimi 5 mv, 20 ma de 6.25 mv olmuştur. Optik sistem çıkışı 10 ma-100 ma aralığında ölçülmüştür. Sistemin doğrusal yanıtı 12.5mV/mA olmuştur.
AC AKIM OSİLOSKOP GÖRÜNTÜLERİ 10 µa 20 µa
ELEKTRO-OPTİK UYGULAMALAR Elektro- optik uygulamalardan en önemlisi optik anahtarlamadır. Elektro-optik bir malzemeye gerilim uygulanmadığı durumda alan genliği sadece asal eksenlerden birine düşen ışığın kutuplanma doğrultusu değişmeden çift kırıcı malzemeye gelir. Burada kutuplanma doğrultusuna bağlı olarak no kırılma indisini görerek belli bir açıda kırılır.
Elektro-optik malzemeye uygun doğrultuda uygulanan dış elektrik alan ile ışığın kristal içinde farklı iki eksen üzerinde izdüşümü olması sağlanır, dolayısı ile çıkışta kutuplanma doğrultusu değişir; doğal çiftkırıcı malzemeden geçen ışık ne kırılma indisini görerek farklı bir açıda kırılır.
FİBER OPTİK SENSÖRLER 1) 2) 3) 4)
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR İletim hattı ile toprak arasında bir elektrik alan oluşmaktadır. Fiber içerisinden gönderilen laser işini iletim hattına doğru yol alır. Işın Pockels kristallerinin içerisine girer. Dairesel polarizasyonlu olarak fiber vasıtasıyla gönderilen ışın elektrik alan etkisi ile eliptik polarizasyonlu ışına döner. Bu eliptikliğin ölçülmesiyle gerilim ölçülmüş olmaktadır. YÜKSEK GERİLİM VOLTAJ SENSÖRÜ
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR Dairesel polarizör ile dogrusal laser isinlari sag ve sol yönlü dairesel polarizasyonlu laser isinlarina çevrilir. Isinlar, iletken etrafindaki çok sargili fiberde yol alir. Manyetik alan bir isini yavaslatirken diger isini hizlandirir. Dairesel polarizeli isinlar yollarini tamamladiklarinda fiber sonuna yerlestirilmis aynadan geri yansitilir. Yansiyan isinlar bir önceki polarizasyon yönüne ters olarak sargili fiber içerisinde tekrar yol almaya baslar. Gelen isinlar polarizörden geçtikten sonra dogrusal polarizeli iki isin olarak fiber içerisinde yönde opto-elektronik ölçüm kutusuna kadar yol alirlar. Manyetik alanin büyüklügüne göre dogrusal ısinlar arasindaki faz farki da degismektedir. Opto-elektronik birimde bu faz farki ölçülerek akim ölçülmüs olmaktadir. YÜKSEK GERİLİM AKIM SENSÖRÜ
SONUÇ: Elektro-optik yöntem ile gerilim ölçümleri 550 kv seviyelerine, yüksek akım ölçümleri 63 ka rms seviyelerine, Kaçak akım ölçümleri AC de 10 ma, DC de 35 ma seviyelerine kadar yapılabilmiştir. Bu değerlerin ise endüstriyel uygulamalarda istenilen değerlerin çok üzerinde değerler oldugu görülmüştür. Optik yöntem ile yapılan ölçümlerin; elektromanyetik girişimden etkilenmemesi, hafif olması, az yer kaplaması, bakım gerektirmemesi, klasik yöntemlere göre daha doğrusal ölçüm alınabilmesi gibi birçok avantajının olduğu görülmüştür.
KAYNAKLAR [1] Taplamacioglu M.C., Santos J. C., Hidaka K., 1999, Optical High Voltage Measurement Using Pockels Microsingle Crystal, Review of Scientific Instruments, Vol.70 No.8, pp.3271-3276. [2] Yılmaz H., 2002, "Yüksek Gerilim Aparatlarında Elektro- Optik Metod ile Akım ve Gerilim Ölçümleri", Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi. [3] C. da Silva L.P., Santos J.C., Cortes A.L., Hidaka K., 2002, "Optical High Voltage Measurement Transformer Using White Light Interferometry", Annals of Optics-XXV ENFMC, PP.204-207.
KAYNAKLAR [4] Rahmatian F., Chavez P.P., Jaeger N.A.F., 2002, 230kV Optical Voltage TransducerUsing Multiple Electric Field Sensor, Transaction on Power Delivery, April 2002, pp. [5] physics.comu.edu.tr/ogrenciler/html/opto.../opto%20sunum.ppt [6] Aydogan H., Aras F., "Fiber Optik Akım Sensörünün Modellenmesi ve Simulasyonu", Kocaeli Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi. [7] V. A. De Lorenci, G. P. Goulart, Magnetoelectric birefringence revisited
KAYNAKLAR [8] Ashley DaSilva, The Kerr Effect [9] H. A. GEBBIE AND R. Q. TWISS, Two-beam interferometric spectroscopy
TEŞEKKÜRLER...
HAZIRLAYANLAR 40080006-Okan Barut 40080017-Alikemal Kavak 40080051-Ece Doğanoğlu 40080060-Mehmet Serkan Zafer 40080089-Erhan Hıdıroğlu 40090102-Habip Öner