2.5 Електрофізичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг

Електрофізичні методи грунтуються на використанні стабільних фізичних ефектів і явищ, що мають місце при взаємодії електромагнітних полів з частинками речовини (молекули, іони, електрони, атомні ядра). Такі методи забезпечують високоточне абсолютне вимірювання струмів і напруг, рузультати якого не залежать від зовнішніх факторів, якщо взаємодії відбуваються на атомному або ядерному рівнях. Безпосередньо вимірюваною величиною при використанні електрофізичних методів є час, частота або довжина, відтворення і вимірювання яких проводяться з найбільшою точністю.

Газорозрядний метод

Газорозрядний метод вимірювань максимальних значень постійних, змінних і імпульсних напруг грунтується на виникненні самостійного газового розряду (пробою) в електричному полі. При дотриманні нормованих зовнішніх умов, а також заданих розмірів та форми електродів, існує стабільна залежність між напругою пробою і відстанню між електродами. Для повітря при атмосферному тиску напруженість електричного поля, при якій настає пробій, складає 30 кВ/см.Найбільшого розповсюдження для таких вимірювань набули кульові розрядники зі сферичними електродами (рис.2.12), для яких складено таблиці розрядних напруг в залежності від діаметрів куль і відстаней між ними. Для обмеження струму при пробої розрядника використовується обмежувальний резистор з опором R=10⁴…10⁶ Ом. Опір і ємність розрядника утворюють дільник напруги з коефіцієнтом д

Рис 2.12 - Кульовий розрядник зі сферичними електродами.

ілення, що залежить від частоти. Необхідно, щоб у всіх випадках коефіцієнт ділення відрізнявся від одиниці, тобто щоб справджувалась рівність R<<1/(ωC), де ємність С кульового розрядника знаходиться за формулою:

, (2.19)

де l – відстань між електродами, м; k – поправочний множник, що залежить від відношення l до радіуса кулі.

Для врахування відмінності зовнішніх умов від нормальних вимірювана напруга визначається за формулою:

, (2.20)

де U_Т – табличне значення вимірюваної напруги (за нормальних умов); р – тиск повітря, Па; t – температура, ˚С.

Вимірювання високих і надвисоких напруг за допомогою кульових розрядників є одним з найстаріших і не надто точних (похибка 2…10%), однак, тим не менше, найрозповсюдженішим методом вимірювання в лабораторних умовах, що пояснюється його відносною простотою і практично необмеженою верхньою межею вимірювань.

Метод прискоення заряджених частинок

Цей метод грунтується на вимірюванні кінетичної енергії частинок, що прискорюються вимірюваною напругою. Пристрої, що базуються на цьому методі, зазвичай складаються з прискорювача заряджених частинок та аналізатора енергії з вимірювальним пристроєм.

Якщо електрон прискорюється напругою U_x, то він набуває кінетичної енергії

, (2.21)

де m₀ – маса спокою електрона; v – його швидкість; е – заряд електрона.

Значення вимірюваної напруги шукаємо з виразу:

. (2.22)

Таким чином, для визначення напруги потрібно виміряти енергію або швидкість заряджених частинок. Для цього використовують різні способи та прилади: часопролітний, гальмівного випромінювання, дифракція електронів на кристалічній гратці, а також магнітні й електростатичні аналізатори тощо. Як прискорені частинки найкраще використовувати електрони, оскільки електронні пучки можна отримати з вузьким енергетичним спектром. Замість швидкості електрона можна також вимірювати довжину хвилі електрона, яка пов’язана з його швидкістю нескладною залежністю:

, (2.23)

де h – постійна Планка.

Довжину хвилі електрона з високою точністю можемо визначити по дифракції електронів на кристалічній гратці:

, (2.24)

де d – відстань між площинами кристалічної гратки у визначеному напрямку; α – кут між площиною гратки та напрямом руху електронів.

Такий метод дозволяє вимірювати високу напругу з похибкою 0,1%, однак придатний він восновному для лабораторного викор истання через дороговизну та громіздкість обладнання.

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 б створення високовартісних і громіздких ізоляційних пристроїв на повну робочу напругу. До таких методів, зокрема, відносяться електрооптичні методи вимірювань.

Електрооптичні методи грунтуються 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 природня 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 випрмінювання;

• 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 зображена на рис. 13. При вимірюванні 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

М

Рисунок 2.13 - Прилад для вимірю-вання струмів, що грунтуєть-ся на внутрішній модуляції.

етоди з зовнішньою модуляцією грунтуються на використанні електрооптичних та магнітооптичних ефектів, головним чином електро-оптичних 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 грунті цих ефектів можна створити швидкодіючі засоби для вимірювань постійних, змінних та імпульсних струмів і напруг, а також сучасні швидкодіючі пристрої електрозахисту.