Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов 2990.

Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов



Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.
______________________________________________________

Факультет РЛ
Кафедра РЛ2





Реферат по дисциплине
"Лазерные оптико-электронные приборы"



студента
Майорова Павла
Леонидовича, группа РЛ3-101.




Руководитель
Немтинов Владимир Борисович

Тема реферата:
"Оптическая обработка информации"
Вступление
Современная практика и научные исследования требуют измерений высоких и сверхвысоких напряжений - до 10 МВ и больших токов - до 1(2 МА. Напряжения и токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов - до 200(500 кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. 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.
При измерении методами с внутренней модуляцией (рис. 1) источник оптического излучения 2 (например, светодиод) и первичный преобразователь 1 (шунт, измерительный трансформатор и др.) находятся под высоким напряжением, а приемник оптического излучения 4 и вторичное измерительное устройство 5 имеют потенциал Земли. В качестве оптического канала связи 3 между источником и приемником излучения применяются высоковольтные волоконные жесткие или гибкие световоды, которые обеспечивают надежную изоляцию измерительных устройств от высоковольтной цепи.
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 электро- и 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 CB - 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.
Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей индукции Вl, направленной вдоль пути света. Знак угла ( зависит от направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол (, если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Как и в других методах, основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током, при использовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерения тока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукцию и погрешность измерения магнитной индукции.
При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости поляризации света, которое обычно осуществляя методами прямого или уравновешивающего преобразования.
При применении метода прямого преобразования свет от лазера 1 направляется к преобразователю Фарадея 8 (рис. 2).
При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут быть расположены непосредственно у магнитооптического образца, что позволяет использовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.
Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямого преобразования, является фототок или выходное напряжение.

где RН - сопротивление нагрузки фотоприемника; SФ - чувствительность фотоприемника; J2 - интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствии с законом Малюса равна

Рис. 3, а.

Рис 3, б.
Рис. 3, в.
Рис. 3, г.
Рис. 3, д.
Рис. 3, е.
здесь J1 - интенсивность света на входе анализатора; ( - угол между поляризатором и анализатором; ( - угол поворота плоскости поляризации, При (=45(

или при малых углах (

При углах (=7( погрешность линейности составляет 1%.
На рис. 3 показаны различные виды магнитооптических преобразователей Фарадея. Самый простой преобразователь состоит из магнитооптического элемента 2, расположенного у провода 1 с измеряемым током (рис. 3, а). Уменьшения влияния внешних магнитных полей и увеличения чувствительности средств измерений, основанных на использовании эффекта Фарадея, к току можно достигнуть путем увеличения коэффициента преобразования , применяя соленоид (рис. 3, б) или ферромагнитный магнитопровод 3 с магнитооптическим элементом 2, ох