7.5.3 Електрооптичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг

Розвиток ліній електропередачі та електрофізичних пристроїв високої й надвисокої напруги (1200 кВ і вище) обумовило розвиток новітніх методів вимірювань, які не потребували створення високовартісних і громіздких ізоляційних пристроїв на повну робочу напругу. До таких методів, зокрема, відносяться електрооптичні методи вимірювань.

Електрооптичні методи засновано на перетворенні вимірюваних електричних величин на параметр оптичного випромінювання і застосуванні оптичних каналів зв’язку для передачі вимірювальної інформації з зони високої напруги на низьковольтну частину вимірювального пристрою.

Перевагами цих методів є висока швидкодія, захищеність від електромагнітних завад, а також надійна природна електрична ізоляція між високовольтною та вторинною вимірювальною ланками через їх повну електричну розв’язку.

Електрооптичні методи ділять на такі дві основні групи:

- методи з внутрішньою модуляцією, при яких сигнал вимірювальної інформації чинить безпосередній вплив на джерело оптичного випромінювання, змінюючи параметри його випромінювання;

- методи з зовнішньою модуляцією, що базуються на впливі вимірюваної величини безпосередньо на оптичне випромінювання від зовнішнього стабільного джерела.

Методи з внутрішньою модуляцією. Схема приладу для вимірювання методом з внутрішньою модуляцією зображено на рис. 7.13. При вимірюванні за цим методом джерело оптичного випромінювання 2 (наприклад, світлодіод) і первинний перетворювач (шунт, вимірювальний трансформатор тощо) перебувають під високою напругою, а приймач оптичного випромінювання 4 і вторинний вимірювальний прилад 5 мають потенціал Землі. За оптичний канал зв’язку 3 між джерелом та приймачем випромінювання слугують високовольтні волоконні жорсткі або гнучкі світловоди, що забезпечують надійну ізоляцію вимірювальних приладів від високовольтної лінії.

Методи із зовнішньою модуляцією. Методи з зовнішньою модуляцією грунтуються на використанні електрооптичних та магнітооптичних ефектів, головним чином

Рисунок 7.13 - Прилад для вимірювання

струмів, що заснований на внутрішній модуляції

електрооптичних ефектів Керра і Поккельса – для вимірювання напруженості електричного поля та напруги, а також магнітооптичного ефекту Фарадея – для вимірювання струмів.

Час релаксації, що характеризує електро- і магнітооптичні ефекти, дуже незначний (менш ніж 10^-10 с), тому на основі цих ефектів можна створити швидкодіючі засоби для вимірювань постійних, змінних та імпульсних струмів і напруг, а також сучасні швидкодіючі пристрої електрозахисту.

7.6 Вимірювання великих струмів, що базуються на ефекті Фарадея

Ефект Фарадея полягає в обертанні площини поляризації лінійно поляризованого світла в оптично активних речовинах під впливом магнітного поля. Кут повороту площини поляризації світла

, (7.26)

де С_В – стала Верде; l – довжина шляху світла у речовині; B –магнітна індукція.

За кутом повороту площини поляризації світла можемо визначити індукцію магнітного поля або силу струму, якщо перетворювач розмістити в магнітному полі вимірюваного струму.

При використанні ефекту Фарадея основними складовими похибки вимірювання струму є похибка перетворення струму в магнітну індукцію та похибка вимірювання магнітної індукції.

Вимірювання магнітної індукції при використанні таких методів зводиться до вимірювання кута повороту площини поляризації світла, яке зазвичай здійснюється методами прямого або компенсаційного порівняння.

Рисунок 7.14 - Прилад для вимірювання струмів,

що заснований на ефекті Фарадея

При використанні методу прямого порівняння світло від лазера 1 спрямовується до перетворювача Фарадея 3 (рис. 7.14). При цьому поляризатор 2 і аналізатор 4 можуть бути розташовані безпосередньо біля магнітооптичного зразка, що дозволяє використовувати оптичні канали зв’язку 5 у вигляді звичайних волоконних світловодів.

Вихідним сигналом пристроїв, що базуються на методі прямого перетворення, є фотострум i_ф=S_ф J₂ або вихідна напруга

, (7.27)

де R_н – опір навантаження фотоприймача; S_ф – чутливість фотоприймача 6; J₂ – інтенсивність світлового потоку на вході фотоприймача, яка, в свою чергу, відповідно до закону Малюса, може бути визначена як

, (7.28)

де J₁ – інтенсивність світла на вході аналізатора; φ – кут між аналізатором і поляризатором; θ – кут повороту площини поляризації. При φ=45˚

(7.29)

або при малих кутах θ

. (7.30)

Існує кілька видів перетворювачів Фарадея. Найпростіший з них складається з магнітооптичного елемента 2, розташованого біля провідника 1 з вимірюваним струмом (рис. 7.15, а). Зменшення впливу магнітних полів та збільшення чутливості S_I = θ/I_x = C_ВlK_I таких приладів до струму можемо досягти, застосовуючи для збільшення коефіцієнта перетворення K_I=B/I_x соленоїд (рис. 7.15, б) або феромагнітний магнітопровід 3 з магнітооптичним елементом

2, що охоплює провідник 1 з вимірюваним струмом (рис. 7.15, в).

Рисунок 7.15 - Магнітооптичні перетворювачі Фарадея

Однак, використання таких перетворювачів пов’язане з погіршенням динамічних характеристик приладу і виникненням фазових похибок, а у приладу з магнітопроводом – похибок гістерезису і лінійності. Більш раціональний шлях підвищення чутливості – це збільшення довжини шляху проходження світлового променя в магнітооптичному елементі за рахунок багаторазового відбиття (кут θ при цьому збільшується, не змінюючи свого знаку, тому його легше виміряти). Схему такого перетворювача показано на рис. 7.15, г. За робочу речовину в магнітооптичних перетворювачах слугують скельця, що містять оксид свинцю та плавлений кварц.