ЭКРАНИРОВАННЫЙ ДАТЧИК ТОКА

Настоящее техническое решение относится к области электроизмерений, а точнее - к датчикам тока высокой точности.
Чувствительный элемент таких датчиков, независимо от принципа работы - то ли это трансформатор переменного тока, то ли трансформатор постоянного тока на основе магнитного усилителя или магнитно-модуляционного преобразователя, либо на основе датчика Холла - представляет собой магнитопровод с обмотками, который помещается в магнитный экран для защиты его от воздействия внешних магнитных помех. Так, например, магнитный экран датчика тока по патенту [1] представляет собой контейнер из двух получашек с центральным отверстием для пропуска проводника с измеряемым током, играющим роль одновитковой входной обмотки. Получашки изготовлены из листового магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, например, стали или пермаллоя.
Недостатком такого датчика является сложность изготовления экрана, требующего дорогостоящей оснастки для штамповки, и невысокая степень экранирования. Кроме того, при расположении датчика вблизи проводов с большими переменными токами в сплошном магнитном материале экрана возникают существенные потери, обусловленные как вихревыми токами, так и перемагничиванием, что в целом приводит к нагреву датчика.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому техническому решению является датчик по патенту [2], в котором для повышения степени подавления внешних магнитных помех используется двойное экранирование. В этом датчике, при вертикальном расположении провода с измеряемым током, экран представляет собой два контейнера, причем меньший, охватывающий чувствительный элемент, вставлен внутрь большего, и каждый из них содержит сочлененные основание, стенку и крышку. Основания и крышки выполнены с отверстиями для проводника с измеряемым током.
Однако и в этом датчике экран при изготовлении технологически сложен, а потери от близлежащих сильноточных проводников не исключены.
Общим недостатком всех известных экранированных датчиков являются большие технологические проблемы при изготовлении экранов для устройств измерения тока в проводниках диаметром свыше одного метра: трубопроводах, валах крупногабаритных машин. Потребность в датчиках большого диаметра возрастает и в связи с повышением напряжений линий высоковольтных передач.
Задачами, на решение которых направлено настоящее техническое решение, являются повышение технологичности изготовления экрана датчика, повышение степени экранирования, снижение потерь в экране от близлежащих проводников с током, расширение габаритного ряда датчиков.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в экранированном датчике тока, содержащем магнитопровод чувствительного элемента с обмотками, помещенным в магнитный экран, представляющим собой контейнер из сочлененных между собой основания, стенки и крышки, изготовленных из магнитомягкого материала, основание, стенка и крышка выполнены в виде витых магнитопроводов из ленты с нанокристаллической структурой. Основание и крышка могут быть выполнены с отверстием, если токопровод большого диаметра и входная обмотка одновитковая, при этом в контейнере может быть установлена внутренняя стенка, также намотанная из ленты с нанокристаллической структурой, причем конфигурация ее соответствует контуру отверстий в основании и крышке.
Решение поставленных задач упрощается благодаря использованию магнитомягких лент с нанокристаллической структурой, например, производства НПП ООО Гаммамет, имеющих в среднем толщину всего лишь 25 мкм. Магнитопроводы, навитые из такой ленты, обладают чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями даже на повышенных частотах. Кроме того, магнитопроводы, содержащие в обозначении индекс ДС, например ГМ11ДС, после намотки и термообработки подвергаются пропитке лаком и его отвержению. При этом, в отличие от лент из пермаллоя, снижение магнитных свойств происходит незначительно. В результате, помимо превосходных магнитных свойств, эти магнитопроводы обладают достаточно высокой механической прочностью, что дает возможность использовать их при определенных условиях в качестве конструктивных элементов.
Техническим результатом использования в качестве конструктивных элементов экрана витых магнитопроводов из ленты с нанокристаллической структурой является значительное упрощение технологии изготовления экрана, поскольку она практически не отличается от технологии изготовления основного и необходимого элемента - магнитопровода чувствительного элемента датчика. Намотка и термомагнитная обработка всех элементов датчика проводится на едином оборудовании. При этом форма и размеры экрана практически не ограничены, все определяется технологической оправкой и оборудованием, которое в настоящее время позволяет производить датчики с внутренним размером 1300 мм и выше.
Малые потери на перемагничивание ленты с нанокристаллической структурой и слоистая, как бы шихтованная структура элементов контейнера уменьшает вихревые токи и потери в экране от близлежащих сильноточных проводников. В то же время шихтованная структура экрана для составляющих магнитных полей перпендикулярных к боковой поверхности контейнера аналогична по действию многостеночным экранам, вследствие чего влияние внешних магнитных полей на процесс измерения тока снижается еще в большей степени.
Сущность предложения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен в качестве примера выполнения датчик тока с цилиндрическим сплошным магнитным экраном.
На фиг.2 представлен такой же датчик тока, но в его экране предусмотрено отверстие для проводника с измеряемым током.
Предлагаемый экранированный датчик тока устроен следующим образом (см. фиг.1). Чувствительный элемент датчика, представляющий собой магнитопровод 1, на который намотаны первичная, вторичная и остальные обмотки, если они необходимы по принципу работы, совместно обозначенные позицией 2, заключены в магнитный экран. Магнитный экран представляет собой контейнер с замкнутым объемом, который содержит основание 3, стенку 4 и крышку 5. В рассматриваемом датчике эти элементы контейнера такие же витые тороидальные магнитопроводы, как и магнитопровод 1 чувствительного элемента. Сочленение перечисленных элементов контейнера может быть произведено любым доступным способом от стяжек до сварки, но предпочтительнее является склеивание эпоксидными компаундами и лаками. Фиксация положения чувствительного элемента 1 внутри контейнера экрана может быть выполнена, например, заполнением внутренней полости твердым или эластичным герметиком 6, либо другими дополнительными конструктивными элементами, что непринципиально. С целью упрощения чертежа отверстия в контейнере для вывода проводов подключения чувствительного элемента 1 не показаны.
На фиг.2 представлен вариант датчика тока для случая, когда роль первичной обмотки с измеряемым током выполняет токовод большого диаметра, не показанный на чертеже для упрощения. Таким тоководом может быть шина, трубопровод или вал. В этом случае в основании 1 и крышке 5 контейнера предусматриваются соответствующие отверстия, а для улучшения экранирования внутри последнего может быть установлена внутренняя стенка 7, аналогичная по конструкции элементам 3, 4, 5. Конфигурация стенки 7 соответствует контуру отверстий в основании 3 и крышке 5. Для устранения короткозамкнутого витка между стенкой 4 и крышкой 5 или основанием 3 может быть введена изоляционная прокладка, не показанная на чертеже.
Все перечисленные элементы 3, 4, 5, 7 контейнера вместе с магнитопроводом 1 чувствительного элемента представляют собой витые тороидальные магнитопроводы из ленты с нанокристаллической структурой, поэтому как намотка, так и термообработка могут быть проведены на едином оборудовании по практически одинаковой технологии, что несомненно удешевляет производство. Кроме того, изготовление всех элементов датчика путем намотки позволяет достаточно просто создавать не только тороидальные датчики любого размера, но и датчики практически любой другой конфигурации: квадратные, прямоугольные, треугольные. Все определяется лишь намоточной оправкой.
В процессе работы датчика силовые линии внешнего магнитного поля помех проходят через экран, имеющий малое магнитное сопротивление, защищая тем самым магнитопровод чувствительного элемента. Магнитное сопротивление экрана может быть доведено до требуемого значения путем выбора толщины элементов контейнера, причем это не связано с существенным увеличением затрат на его изготовление.
Источники информации (Espacenet):
1. Патент WO 01140811 (A2) -2001-06-07, G01R 15/20, SCREENED CORE CURRENT SENSOR.
2. Патент JP 8262063 (A) - 1996-10-11, G01R 1/18, DIRECT CURRECT SENSOR.