Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов

Большие переменные токи — до 150 200 кА имеют место в мощных дуговых электропечах.

Работают линии электропередачи с напряжением 1,2 1,5 МВ, проектируются линии передачи и энергетические устройства на более высокие напряжения. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер. В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.

Электрооптические методы измерений высоких напряжений и больших токов Быстрое развитие линий электропередачи и электрофизических устройств высокого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и выше) обусловило появление новых методов измерений, не требующих создания дорогостоящих и громоздких изоляционных устройств на полное рабочее напряжение.

Перспективными являются электрооптические методы, основанные на преобразовании измеряемых электрических величин в параметры оптического излучения и применении оптических каналов связи для передачи измерительной информации из зоны высокого напряжения на низковольтную часть измерительного устройства.

Преимуществами этих методов являются высокое быстродействие, защищенность от электромагнитных помех, а также надежная естественная электрическая изоляция между высоковольтной и вторичной измерительными цепями вследствие их полной электрической развязки.

Электрооптические методы разделяются на методы с внутренней модуляцией, при которых сигнал измерительной информации непосредственно воздействует на источник оптического излучения, изменяя параметры его излучения, и методы с внешней модуляцией, основанные на воздействии измеряемой величины непосредственно на оптическое излучение от внешнего стабильного источника.

Рис. 1.

Методы с внешней модуляцией основаны на использовании электрооптических и магнитооптических эффектов, главным образом электрооптических эффектов Керра и Поккельса — для измерения напряженности электрического поля и напряжения, а также магнитооптического эффекта Фарадея — для измерения токов. Время релаксации, свойственное электрои магнитооптическим эффектам, составляет менее 10 -10 с, поэтому на основе этих эффектов можно создать быстродействующие средства измерений постоянных, переменных и импульсных токов и напряжений, а также современные быстродействующие устройства защиты.

Использование эффекта Фарадея Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Угол поворота плоскости поляризации света где C B — постоянная Верде; l — длина пути света в веществе; В - магнитная индукция.

Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.

Рис. 2.

Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямого преобразования, является фототок или выходное напряжение. где R н — сопротивление нагрузки фотоприемника; S Ф — чувствительность фотоприемника; J 2 — интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствии с законом Малюса равна

Рис. 3, а.	Рис 3, б.
Рис. 3, в.

Рис. 4, а.
Рис. 4, б.
Рис. 4, в.	Рис. 4, г.

Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три порядка больше, чем в стеклах.

Измерение напряжения с использованием электрооптических эффектов Керра и Поккельса Измерение напряжения с использованием электрооптических эффектов Керра и Поккельса основано на возникновении двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в электрическом поле, создаваемом измеряемым напряжением.

Возникновение квадратичного эффекта Керра поясняется на рис. 4, а.

Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света 1 и поляризатора 2, проходит через электрическое поле, создаваемое конденсатором 3, к электродам которого приложено измеряемое напряжение U X . При этом луч света направлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После анализатора 4 свет попадает в фотоприемник 5, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 6. Интенсивность света на выходе преобразователя Керра определяется выражением где l K — эффективная длина преобразователя Керра; d — расстояние между его электродами; С K — коэффициент Keppa; J 0 — интенсивность света на входе преобразователя.

Эффект Керра возникает во многих изотропных веществах, но наиболее часто используется нитробензол, который имеет наибольший коэффициент Керра по сравнению с другими веществами (вода, бензол, эпоксидные компаунды и др.). Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле. В зависимости от направления вектора напряженности электрического поля возникает продольный или поперечный эффект Поккельса.

Продольный эффект сильнее всего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH 4 H 2 PO 4 или гидрофосфата калия KH 2 PO 4 , где электрическое поле создается при помощи кольцевых электродов 7, к которым приложено измеряемое напряжение U X (рис. 4, б). Поперечный эффект сильно проявляется в кристаллах ниобата лития LiNbO 3 , которые используются в электрооптических модуляторах света.

Интенсивность света на выходе преобразователя Поккельса можно определить из выражения где r 63 — электрооптический коэффициент кристалла; n 0 — его показатель преломления при отсутствии электрического поля; l -длина волны излучения лазера; Е X — напряженность электрического поля; l П — эффективная длина преобразователя Поккельса.

Статическими характеристики преобразователей Керра и Поккельса показаны соответственно на рис. 4, в и рис. 4, г.

Список литературы Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности.

Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов.