книги из ГПНТБ / Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения

текания тока короткого замыкания это напряжение огра­ ничивается благодаря насыщению. Вспомогательная цепь Lh, Rs позволяет устанавливать рабочий диапазон изме­ рительного трансформатора таким образом, чтобы пере­ ход к насыщению мог происходить при нужном значении тока короткого замыкания.

20.ДАТЧИКИ ХОЛЛА

Вэтих датчиках используют давно известный эф­ фект Холла [Л. 282]. Если через металлическую пластин­

ку толщиной d проходит электрический ток /у и пластин­ ка при этом перпендикулярно пронизывается магнитным полем с индукцией В, то электроны благодаря силам Лоренца отклоняются в направлении, перпендикулярном первоначальному направлению тока и направлению маг­ нитного поля (рис. 140). Как следствие смещения заря­ дов между продольными краями пластинки (точки под­ ключения а и Ь) образуется так называемая э. д. с. Хол­ ла, пропорциональная произведению управляющего тока /у и магнитной индукции В:

причем R — постоянная материала, которую называют постоянной Холла. Вследствие малых постоянных Холла у металлов эффект Холла сначала представлял только физический интерес. С появлением полупроводниковой техники были обнаружены металлические соединения из третьей и пятой групп периодической системы, которые имеют значительно большие постоянные Холла. Благода­ ря этому эффект Холла получил широкую область при­ менения [Л. 283, 284]. Одним из возможных его техниче­ ских применений является измерение больших постоян­ ных токов, кратко рассмотренных ниже.

Для измерения больших токов провод, по которому протекает измеряемый ток, помещают внутрь стального сердечника (рис. 141). В воздушном зазоре сердечника создается магнитное поле,, пропорциональное току, под­ лежащему измерению:

Расположенный в воздушном зазоре датчик Холла при постоянном управляющем токе / у дает э. д. с. Холла,

160

пропорциональную напряженности поля Н, а тем самым также и току h(t):

Uм(і) —kio(t).

Легко видеть, что измерение не требует отбора мощ­ ности отцепи, обтекаемой постоянным током іо. Если сер­ дечник выполнить симметричным с двумя воздушными зазорами и двумя датчиками Холла, э. д. с. которых соединены последовательно, а питание управляющими токами производится от гальванически не связанных источников, то результирующая э. д. с. строго пропорциональна намагничивающей силе сердеч­ ника и не зависит от положе­ ния проводника, обтекаемого током [Л. 285].

I При быстро изменяющихся

токах (т. е. при токах высокой

частоты) на э. д. с. Холла накладываются напряже­ ния помех. Причинами возникновения напряжения по­ мех являются, во-первых, вытеснение тока и, во-вто­ рых, — индуктивность измерительной цепи, в которой при быстрых изменениях магнитного потока могут возникать заметные напряжения. Очень интересно применение дат­ чика Холла в токовых клещах фирмы Тектроникс (рис. 142). Полоса пропускания этого измерительного устройства — от постоянного тока до 50 МГц. Постоян­ ный ток и низкие частоты измеряются при помощи дат­ чика Холла, а средние и высокие частоты — измеритель­ ным трансформатором тока (рис. 142). При высоких частотах вторичная н. с. трансформатора тока компенси­ рует первичную н. с., создаваемую током, подлежащим измерению. При частоте меньше нижней предельной по­ лучается остаточный магнитный поток, который возни­ кает от составляющей постоянного тока или очень низких

частот. Этот остаточный магнитный поток создает на вы­ ходе датчика Холла напряжение, которое после усиления операционным усилителем подается на вторичную обмот­ ку трансформатора тока и служит для компенсации низ­ кочастотной н. с. первичной обмотки. Таким образом, можно избежать насыщения ферритового сердечника при низких частотах.

При применении устройств для измерения тока и дат­ чика Холла для измерений токов остаточной проводимо-

1

k \

Рис. 142. Клещи фирмы Тектроникс для измерения тока с ши­ риной полосы частот 0—50 МГц.

сти насыщение способствует ограничению сигнала при выходе его за исследуемое значение.

Помимо датчиков Холла, для измерений магнитных полей пригодны разработанные в последнее время дат­ чики магнитосопротивления [Л. 291], активное сопротив­ ление которых зависит от напряженности воздействую­ щего на них поля.

21. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ

Когда линейно поляризованный свет проходит паралелльно силовым линиям через светопроницаемое тело длиной I, которое' на­ ходится в магнитном поле с индукцией В, то плоскость поляри­ зации, как известно, поворачивается на угол а (эффект Фарадея)

а=ѴВІ,

где V —'Постоянная Вердетша. Она зависит от длины волны Я. Угол поворота а определяется эбычным способом с помощью поляриза­ ционного аппарата.

Для определения изменения по времени очень больших токов применяют измерительное устройство, изображенное на рис. 143

162

вольно обширные пояснения, которые подробно изложены в [Л. 287].

163

В ходе луча помещены две детали из оптического стекла Рі и Р\ (вторая — с компенсационной обмоткой). Поворот плоскости поля­ ризации при прохождении луча света через первое магнитное поле компенсируется при прохождении его через второе магнитное поле. Для полной компенсации необходимо, чтобы число ампер-витков компенсационной обмотки было равно числу ампер-витков находя­ щейся под высоким напряжением ошавной обмотки:

wJl=WiIi.

Так как поляризаторы Рі и Рц (анализатор) перекрещены, то при полной компенсации на фотоэлемент свет не попадает. Как толь­ ко изменяется первичный ток, основная обмотка вызывает поворот плоскости поляризации; тогда гашение света происходит не пол­ ностью и какая-то часть его попадает на фотоэлемент Ph. Фотоэле­ мент воздействует на усилитель до тех пор, пока числа ампер-вит­ ков основной и вспомогательной обмоток опять не станут одина­ ковыми.

В {Л. 287] описан магнитооптический измерительный трансфор­ матор тока, предназначенный для линий сверхвысокого напряжения и работающий по тому же принципу. Вместо света обычной лампы накаливания в нем применен луч лазера *.

Г л а в а п я т а я

ИЗМЕРЕНИЕ БОЛЬШИХ ТОКОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ ТОКА

Измерительные трансформаторы тока не получили широкого

Как и для измерительных трансформаторов напряжения, для из­ мерительного трансформатора тока может быть построена вектор­ ная диаграмма. Принципиально она ничем не отличается от вектор­ ной диаграммы силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания.

Принцип действия и эксплуатационные свойства обычных изме­ рительных трансформаторов тока здесь не рассматриваются, так как

тока и напряжения рассмотрены в статьях: Афанасьев В. В., Кра­ сина А. Д. Новые методы измерения напряжения в высоковольтных

164

ка конденсатора являются активная проводимость изоляционного материала {Л. 296] (при нагрузке постоянным напряжением это единственная причина диэлектрических потерь), работа в виде тре­

ünoc

'Jnap

Для упрощения расчетов и измерений конденсатор с потерями изображают в виде последовательного или параллельного соедине­ ния идеального конденсатора и активных сопротивлений потерь (рис. 146). В схемах рис. 146 не учитывается индуктивность, кото­ рую практически требуется учитывать только при очень высоких частотах. Векторные диаграммы, приведенные на рис. 147, соответ­ ствуют рис. 146. Коэффициент потерь для параллельной схемы за­ мещения определяется как тангенс угла диэлектрических потерь б

*G

tg Snap = / с - №С ш р •

Для последовательной схемы замещения справедливо соотно­ шение

UR

1-S ^пос — 77 ” ^яос^^пое*

UC

Вдействительности конденсатор имеет как последовательное, так и параллельное сопротивления потерь (ірнс. 148), причем в за­

166

щения на рис. 146 и 148 равнозначны, при переменной частоте обе отдельно взятые схемы на рис. 146 неправильны.

Если хотят сравнить несколько значений тангенса угла диэлек­ трических потерь и емкости, полученных разными измерительными приборами, то нужно проверить, для какой схемы замещения и при каких частотах были произведены измерения этих отдельных зна­ чений. Приведенные на рис. 146 значения СпаР и Спос, а также

Япар и і?пос могут быть определены из следующих выражений:

диэлектрическую проницаемость. Сначала измеряют емкость Со об­ разцового конденсатора с воздушным диэлектриком (е=4,0006). За­ тем пространство между электродами образцового конденсатора за­ полняют изоляционным материалом, подлежащим исследованию, и вторично измеряют увеличившуюся емкость С о . Относительная диэлектрическая проницаемость тогда может быть определена по формуле

Здесь иногда также приходится различать относительные диэлек­ трические проницаемости для последовательной еПос и параллельной епар схем замещения.

23. СХЕМЫ МОСТОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ И tg б

Ниже описаны способы измерения емкостей и tg б при промышленной частоте. Способы измерения значе­ ний е и tgö при более высоких частотах, например у ди­ электриков, применяемых для подложки при высокоча­ стотной сварке пластмасс, описаны в специальной техни­ ческой литературе [Л. 299—300, 304]1.

1 Использование мостовых схем для измерения потерь на коронѵ на частоте 50 Гц описано в книге: Емельянов Н. П., Козлов В. С. «Коронный разряд на проводах». Минск, «Наука и техника», 1971. Прим, р е д.

167

а) Мост Шеринга для измерения tg ö

■Из всех способов, применяемых для измерения ем­ костей, самые точные результаты, как известно, дают мосты переменного тока. В ТВН получили преимущест­ венное распространение и хорошо себя зарекомендовали мосты Шеринга [Л. 301, 303] и их модификации, предназ­ наченные для специальных целей (рис. 149). Преимуще­

щиты от перенапряжений уравновешивающих элементов и рукоятки включен разрядник FS (пробивной предохра­ нитель с инертным газом).

Мост уравновешивается попеременной регулировкой сопротивления Яз и емкости С4. В уравновешенном состо­

янии моста узловые точки А и В имеют одинаковый по­ тенциал и гальванометр показывает нуль.

В этом случае передаточные отношения обеих ветвей моста Z,—Z3 и Z2—Z4, выполненных в виде делителей

напряжения, одинаковы

Z3 z4

Это уравнение является исходным для вывода усло­ вий равновесия любых мостов переменного тока с пас­ сивными элементами. Если подставить значения полных сопротивлений отдельных элементов моста и сравнить действительные и мнимые части, то получаются выраже­ ния для определения измеряемого реактивного сопротив­ ления и тангенса угла диэлектрических потерь. Для мос-

168

та Шеринга имеем: Zi=Ri + (I//0 C1) (диэлектрик заме­

щен последовательно соединенными емкостью и сопро­ тивлением); Z2= I//0 C2; Z3 = R 3; \JZk= (l/Rt) +/С0 С4.

CDтсюдз.

(1//соСі) = (R3/juiCzRi) + R3 CJC2.

Из сравнения действительной и мнимой части следует:

Ri = R3 CJC2 и С1Пос= С2Я4/Яз.

Тангенс угла диэлектрических потерь

tg бпос=|СО^посСпоо—wRiCk.

Если измеряемая емкость Сі очень мала, диапазон из­ мерения моста по рис. 149 можно расширить, подключив параллельно измеряемой емкости С4 известную вспомо­

гательную емкость Сн с известным же тангенсом угла диэлектрических потерь tgÖH. Обозначим через См и tgÖM измеренные параметры результирующей цепи, об­ разованной параллельным соединением Сі и Сн- Тогда емкость и тангенс угла диэлектрических потерь испытуе­ мого конденсатора Сі определяются по формулам

tg s,— tgsM^ i-|- c '^j tg§w c^•

С уменьшением Сі результирующая точность такого измерения быстро уменьшается.

б) Мост Шеринга для больших зарядных токов

При больших емкостях испытуемых объектов, на­ пример высоковольтных кабелей, конденсаторов для улучшения коэффициента мощности и т. д., зарядные токи превышают нагрузки, допустимые на декады сопро­ тивления моста R3. Кроме того, это плечо настолько низ­ коомно, что его индуктивной составляющей и переходны­ ми сопротивлениями переключаемых контактов пренеб­ регать уже нельзя. В этих случаях диапазон измерения расширяют параллельным подключением к третьему плечу шунтирующего сопротивления RN (рис. 150). Тогда условие равновесия

С і п о с = CZR ^ R N + T + S + R s) /RN (R3 + G) ,

169