Měření kolem nás (23)
Ing. Martin Havlíček, Orbit Merret, spol. s r. o. | www.orbit.merret.cz
Měření okrajových hodnot proudu a napětí – 3
Rotační voltmetr (generating voltmeter)
Samostatnou skupinu elektrostatických voltmetrů tvoří rotační voltmetry. Jejich činnost není na rozdíl od voltmetrů popsaných v předchozích dílech založena na silových účincích elektrického pole. Pro měření napětí využívají elektrostatickou indukci. Tyto voltmetry se používají pro měření stejnosměrných i střídavých napětí a vzhledem k možnosti stanovení vzdálenosti mezi vysokonapěťovou elektrodou a ostatními elektrodami jsou schopny měřit i napětí nejvyšších hodnot přesahujících MV.
Principiálně i konstrukčně je rotační voltmetr generátorem elektrostatického napětí s proměnným kondenzátorem, který generuje proud úměrný měřenému vnějšímu napětí, které je přiváděno k jedné elektrodě, zatímco ostatní elektrody jsou na stejném potenciálu (uzemněné). Zařízení je poháněno externím synchronním motorem nebo motorem s konstantní rychlostí a neabsorbuje energii ani energii ze zdroje pro měření napětí.
Obr. 1. Princip konstrukce rotačního voltmetru H – vysokonapěťová elektroda P – snímací elektroda G – ochranná elektroda M – pohyblivá elektroda σ – hustota elektrického pole
Obr. 2. Konstrukční schéma měřicího přístroje a tvar jednotlivých elektrod D3 – elektroda s měřeným napětím D0 – rotující elektroda (připevněná k motoru) D1 a D2 – měřicí elektrody
Rogowského cívka
Tato cívka, pojmenovaná po Walterovi Rogowském, je přesný lineární senzor střídavého proudu pro přesné měření pulzů střídavého proudu (AC) nebo pulzů se strmými průběhy ve velkém rozsahu. Skládá se ze spirálové cívky s přívodem z jednoho konce, který se vrací středem cívky na druhý konec, takže obě svorky jsou na stejném konci cívky. Celá sestava je pak ovinuta kolem přímého vodiče, jehož proud má být změřen. Hustota vinutí, průměr cívky a tuhost vinutí jsou určující pro nízkou citlivost vůči vnějším polím a nízkou citlivost na umístění měřeného vodiče.
Jde o toroidní cívku bez železného jádra (vzduchovou cívku) umístěnou kolem primárního měřeného vodiče stejným způsobem jako sekundární vinutí měřicího proudového transformátoru. Na rozdíl od něj však výstupní signál z Rogowského cívky není proud, ale napětí. Velkou výhodou je magnetizační charakteristika vzduchového jádra Rogowského cívky, která je lineární v širokém rozsahu proudů.
Obr. 3. Rogowského cívka
Elektrostatický voltmetr
Tento voltmetr umožňuje měření střídavých i stejnosměrných napětí. Principem je vznik síly mezi nabitou a nenabitou částí – obvykle jde o desky, z nichž jedna je otočná nebo lineárně pohyblivá (přibližuje se a vzdaluje). Obvyklé konstrukce umožňují měření až do 600 kV.
Vrcholový voltmetr (Chubb-Fortescue method)
Pro měření vrcholové hodnoty střídavého napětí je vhodné použít metodu s kondenzátorem, dvěma diodami a ampérmetrem.
V digitálním vrcholovém voltmetru není vstupní napětí měřeno přímo. Místo toho je odděleno a sníženo.
Obr. 4. Vrcholový voltmetr
Hallova sonda
Senzor, využívající Hallova jevu se s výhodou dá použít tam, kde Rogowského cívka, proudový transformátor i bočník selhávají – u měření velmi velkých stejnosměrných proudů.
Hallův jev je proces vzniku elektrického pole v polovodiči (existuje i v kovech, ale vzhledem k vysoké koncentraci vodivostních elektronů se téměř neuplatňuje) za současného působení vnějšího elektrického i magnetického pole. Důsledkem toho se hromadí na jedné straně látky záporný náboj a na straně druhé náboj kladný. Díky tomu, že póly mají různý potenciál, vzniká Hallovo napětí.
Tato metoda měření přináší mnoho výhod. Jedna z nejdůležitějších je přesnost měření. Galvanické oddělení od měřeného obvodu umožňuje mobilitu. A pomocí Hallovy sondy lze měřit stejnosměrný i střídavý proud. Sondu není třeba chladit.
Nevýhodou je nutnost instalace koncentrátoru magnetického pole.
Obr. 5. Blokové schéma digitálního vrcholového voltmetru
Hallova sonda může dosáhnout při vysokých proudech saturace, ale to sondu nezničí, takže s větší vzduchovou mezerou lze měřit i velmi vysoké proudy. Výhodou je, že lze poměrně snadno vypočítat vliv zvětšení vzduchové mezery na maximální měřitelný proud:
Imax = Bmax × d0/μ0 × N
B – intenzita magnetického pole
N – počet závitů
μ0 – permeabilita koncentrátoru a vzduchové mezery
d0 – šířka vzduchové mezery
Podrobnější popis a vysvětlení vzorců je uveden na: https://www.infineon.com/dgdl/Current_ Sensing_Rev.1. 1. pdf?fileId=db3a304332d040720132d939503e5f17
Obr. 6. Schéma měření pomocí Hallovy sondy
Zajímavost
Koncem roku 2018 uvedla společnost Siemens do provozu transformátor s výstupním napětím 1100 kV (1,1 MV). Tento transformátor, dodaný do Číny, umožní vysokonapěťový stejnosměrný (HVDC) přenos s nízkými ztrátami na rekordní vzdálenost 3284 km s přenosovou kapacitou 12 gigawattů. Stejně jako výstupní napětí jsou impozantní i jeho rozměry: délka 37,5 × šířka 12,0 × výška 14,5 m.
Zdroje: Wikipedia https://docplayer.cz/97276398-Technika-vysokych-napeti-mereni-vysokych-napeti-a-velkych-proudu.html
https://docplayer.cz/38722724-Elektroenergetika--1-vysokonapetove-zkusebnictvi.html
http://www.utee.feec.vutbr.cz/iet/wp-content/uploads/sites/2/2016/10/laboratorní-přístroje.pdf
https://www.ghvtrading.cz/rozvadecove-pristroje/analogove/prislusenstvi/bocnik.html
https://www.engineeringworldchannel.com
https://www.tme.eu/cz/katalog/transformatory-proudove_112516/
http://dspace.vsb.cz/bitstream/handle/10084/1004241/SEV0047_FEI_ B2649_3907R001_2014.pdf
http://home.earthlink.net/~jimlux/hv/sphgap.htm
https://dspace5.zcu.cz/bitstream/11025/5323/1/Diplomova%20prace,%20Jiri%20Micka.pdf