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 прибо-ры"

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 длительно-стью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измере-ние 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 вы-сокие 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 термо-ядерных источников энергии.

Электрооптические методы измерений высоких напря-жений и больших токов

Быстрое развитие линий электропередачи и электрофизических устройств высо-кого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и выше) обусловило появление новых ме-тодов измерений, не требующих создания дорогостоящих и громоздких изоляционных устройств на полное рабочее напряжение. Перспективными являются электрооптиче-ские методы, основанные на преобразовании измеряемых электрических величин в па-раметры 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 быстро-действие, 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 ис-точник 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 излу-чения применяются высоковольтные волоконные жесткие или гибкие световоды, которые обеспечивают надежную изоляцию измерительных устройств от высоко-вольтной 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, со-ставляет менее 10-10 с, поэтому на основе этих эффектов можно создать быстродейст-вующие средства измерений постоянных, переменных и импульсных токов и напряже-ний, а также современные быстродействующие устройства защиты.

Использование эффекта Фарадея

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно по-ляризованного 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 индук-цию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.

Рис. 2.

Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей индукции Вl, на-правленной 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 измере-ния 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 мето-дами 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 непосредст-венно у магнитооптического образца, что позволяет использовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.

Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямого преоб-разования, является фототок или выходное напряжение.

где RН — сопротивление нагрузки фотоприемника; SФ — чувствительность фотоприем-ника; J2 — интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соот-ветствии 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 поляри-затором 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 Фара-дея. Самый простой преобразователь состоит из магнитооптического элемента 2, рас-поло¬женного у провода 1 с измеряемым током (рис. 3, а). Уменьшения влияния внеш-них магнитных полей и увеличения чувствительности средств измерений, основанных на использовании эффекта Фарадея, к току можно дос-тигнуть путем увеличения коэффициента преобразования , применяя соленоид (рис. 3, б) или ферромагнитный магнитопровод 3 с магнитооптическим эле-ментом 2, охватывающим провод 1 с измеряемым током (рис. 3, в). Однако использо-вание таких преобразователей связано с ухудшением динамических характеристик прибора и появлением фазовых погрешностей, а у прибора с магнитопроводом — по-грешностей гистерезиса и линейности. Более рациональный путь повышения чувстви-тельности — увеличение длины пути прохождения светового луча в магнитооптиче-ском элементе за счет многократного отражения (рис. 3, г) или использование много-виткового магнитооптического преобразователя из гибкого волоконного световода (рис. 3, д). Этот преобразователь, так же как преобразователь, показанный на рис. 3, е, одновременно является своеобразным интегрирующим контуром, что позволяет уста-новить однозначную зависимость между током и углом поворота плоскости поляриза-ции света и исключить влияние внешних магнитных полей и неравномерного распре-деления тока внутри контура:

Рис. 4, а.

Рис. 4, б.

Рис. 4, в.

Рис. 4, г.

В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобразователей приме-няются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Осо-бенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фара-деевское 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. Поляризо-ванный луч света, образуемый с помощью источника света 1 и поляризатора 2, прохо-дит через электрическое поле, создаваемое конденсатором 3, к электродам которого приложено измеряемое напряжение UX. При этом луч света направлен перпендикуляр-но вектору напряженности этого поля. После анализатора 4 свет попадает в фотопри-емник 5, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 6.

Интенсивность света на выходе преобразователя Керра определяется выражени-ем

где lK — эффективная длина преобразователя Керра; d — расстояние между его элек-тродами; СK — коэффициент Keppa; J0 — интенсивность света