2.3. Измерения больших токов с использованием устройств, основанных на эффекте Холла.

Сущность эффекта Холла в следующем. Если металлическая пластина толщиной , по которой протекает электрический ток , помещена в магнитном поле с индукцией , перпендикулярном пластине, то на электроны пластины действует сила Лоренца, перпендикулярная первоначальному направлению тока и направлению магнитного поля (рисунок 2.8). В результате возникает смещение зарядов к краям пластины и между продольными краями пластины (точки a и b) возникает разность потенциалов U_н, называется ЭДС Холла. Она пропорциональна произведению тока I_у и индукции В магнитного поля:

(2.28)

где К – коэффициент, зависящий от свойства материала пластины. Его обычно называют постоянной Холла. У большинства металлов значение постоянной Холла крайне мало. Разработаны соединения металлов из элементов 3-й и 5-й групп, имеющие большое значение постоянной Холла, величина которой не зависит от напряженности магнитного поля. Это позволило разработать приборы для измерения постоянных магнитных полей и быстро изменяющихся больших токов.

Рисунок 2.8. К пояснению эффекта Холла

При измерении больших токов провод с током окружают ферромагнитным сердечником с воздушным зазором (рисунок 2.9). В зазоре измеряемый ток создает напряженность магнитного поля:

(2.29)

Датчит Холла, находящийся в зазоре, при постоянном токе I_у создает напряжение:

(2.30)

Рисунок 2.9. Измерение переменного тока с помощью датчика Холла.

Это напряжение, не обладающее обратным действием на измеряемый ток, является мерой тока создающего магнитное поле. С помощью сердечника, имеющего два симметричных зазора, и двух датчиков, расположенных в этих зазорах и имеющих раздельные источники питания, при последовательном соединении датчиков по напряжению можно добиться строгой пропорциональности сигнала на выходе измеряемому току независимо от положения провода с током внутри сердечника.

В современных измерительных устройствах на основе датчиков Холла применяют компенсационный метод. Измеряется не напряжение с датчика, а сигнал, который вырабатывает отдельный источник, вырабатывающий сигнал, равный по величине сигналу датчика Холла тока, который автоматически регулируется так, чтобы его величина соответствовала измеренному сигналу. По величине компесирующего сигнала определяют величину измеряемого тока.

Лекция 3 частичные разряды в изоляции и их измерения

3.1. Основные характеристики частичных разрядов

Ионизационная форма пробоя диэлектриков характерна для твердой и комбинированной изоляции и отличается от электрического пробоя тем, что развивается весьма медленно. Она вызывается ионизационными процессами в газовых и иных включениях и неоднородностях, имеющихся в твердой и комбинированной изоляции. Ионизация в газовых включениях порождает химически активные продукты: озон (О₃), окислы азота (NO, NO₂), которые быстро разрушают органические твердые диэлектрики (ТД), что приводит к их полному пробою.

Ионизация в газовых включениях порождается частичными разрядами (ЧР). Понятие ЧР охватывает разряды по поверхности ТД и внутри его в виде короны, скользящих разрядов или частичных пробоев отдельных элементов изоляции.

Частичные разряды не приводят к сквозному пробою изоляции, однако приводят к местному разрушению диэлектрика (особенно органического) и при длительном существовании развиваются, усиливаются и в определенных условиях могут привести к полному пробою изоляции. Элемент диэлектрика, участвующий в ЧР, будем называть включением. Наиболее часто –это газовый пузырек.

Рассмотрим процесс возникновения и существования ЧР. Фрагмент твердой изоляции имеющей газовое включение и помещенной в переменное электрическое поле, приведен на рис. 3.1А. Здесь же представлена его схема замещения (Б, В).

Рис. 3.1. Эскиз и эквивалентная схема диэлектрика при рассмотрении ЧР.

При рассмотрении ЧР эквивалентная схема диэлектрика емкостью (рис. 3.1В) может быть представлена тремя емкостями: – емкость включения в элементе диэлектрика, в котором происходит частичный разряд; – емкость диэлектрика, включенная последовательно с включением; – емкость остальной части диэлектрика; – суммарная эквивалентная емкость фрагмента диэлектрика, которая равна:

.

(3.1)

Поскольку диэлектрическая проницаемость включения (как правило, газа) всегда меньше, чем у диэлектрика (напомним: = 1, > 2), распределение напряжений в емкостном делителе, образованном и будет таким, что напряжение может быть выше на газовом включении и с ростом напряжения достигает величины, достаточной для вспышки частичного разряда, связанного с пробоем газового включения.

Длительность процесса пробоя включения (длительность ЧР) в большинстве случаев весьма мала и составляет (3 – 10)∙10^-9 с. Лишь для мощных ЧР, представляющих разветвленные скользящие разряды или пробои больших прослоек жидкого диэлектрика, длительность ЧР может достигать 10^-7 – 10^-6 с.

Введем параметры: - напряжение зажигания разряда на включении; - напряжение погасания разряда на включении;. Данный процесс на включении приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Процесс пробоя включений.

При прохождении максимума напряжения величина U_вп становится соизмеримой с U_вз и пробои прекращаются. Пробои продолжаются в следующем полупериоде, когда отрицательное напряжение достигает значения -U_вз. Таким образом, за период напряжения сети осциллограмма напряжения на включении, в котором происходят ЧР, имеет вид, приведенный на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Осциллограмма частичных разрядов на включении.

При пробое включения происходит изменение напряжения на объекте вследствие увеличения емкости объекта при возникновении ЧР за счет шунтирования емкости в эквивалентной схеме (см. рис. 3.1). Однако для удобства дальнейших рассуждений можно представить, что изменение напряжения на объекте происходит вследствие фиктивного (кажущегося) изменения заряда на электродах объекта с неизменной емкостью , причем .

Величина определяется выражением:

(3.2)

Кажущийся заряд является основной количественной характеристикой единичного ЧР. Кроме этого используются интегральные характеристики ЧР, которыми являются:

- частота следования - ;

- средний ток ЧР - ;

- средняя мощность ЧР - ;

- квадратичный параметр - ;

Частотой следования называется среднее число ЧР в секунду. При этом учитывается либо ЧР с кажущимся зарядом выше установленного значения, либо ЧР с кажущимся зарядом, находящимся в определенном интервале.

Средний ток представляет собой сумму абсолютных значений зарядов, проходящих за одну секунду, и измеряется в или . Если сумма зарядов измеряется за интервал времени , то:

(3.3)

Если заряды имеют одинаковое значение, то:

(3.4)

Средняя мощность ЧР - это энергия, выделяемая в испытуемой объекте вследствие ЧР в течение определенного интервала времени . Значение может быть определено с помощью моста для измерения диэлектрических потерь на высоком напряжении, если из мощности полных потерь в испытуемом объекте вычесть потери на поляризацию и активную проводимость :

(3.6)