ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА С МАГНИТНЫМ ШУНТОМ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к трансформаторам тока, встраиваемым в низковольтные автоматические выключатели на большие номинальные токи, а также может быть использована в электроизмерительной технике.
Известны трансформаторы тока, предназначенные для измерения номинальных токов, токов перегрузки и токов короткого замыкания величиной от нескольких сотен ампер до нескольких десятков килоампер, проходящих через полюсы автоматического выключателя. Такие измерительные трансформаторы встраиваются в конструкцию самого выключателя и устанавливаются внутри непосредственно на его выводах. Вывод выключателя в виде токоведущей шины прямоугольного сечения служит первичной обмоткой трансформатора и проходит через окно ферромагнитного сердечника. Вторичная многовитковая обмотка устанавливается на ферромагнитном сердечнике. Конструкции таких измерительных трансформаторов описаны в книге: Могилевский Г.В., Райнин В.Е., Сосков А.Г., Устименко Б.Ю. Бесконтактные устройства защиты для низковольтных электрических аппаратов. М., «Энергия», 1971, с.11. Измерительные трансформаторы описанной конструкции широко применяются в низковольтных автоматических выключателях различных фирм и, одновременно с измерением токов, выполняют также функцию источника питания электронных устройств защиты. Однако трансформаторы имеют сравнительно большие габариты, особенно при больших (1000-6300 А) номинальных токах. Ухудшается при больших измеряемых токах короткого замыкания (при кратностях токов короткого замыкания по отношению к номинальному току 12-20 и выше) и точность измерения из-за насыщения магнитопровода при выбранных габаритах сердечника. Увеличение габаритов приводят к увеличенным потерям мощности в меди вторичной обмотки, повышению температуры трансформатора и к необходимости применения более теплостойких намоточных проводов и электроизоляционных материалов, способных работать при температурах 160-200 градусов.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Известны также технические решения (см. описание к изобретению СССР №454487 М. Кл. G01r 1/22 от 25.12.1974 г., описание к патенту на полезную модель RU 90256 МПК H01F 38/00 от 27.12.2009), направленные на уменьшение габаритов трансформатора и повышение точности измерения, основанные на разделении первичной обмотки на две включенные встречно-параллельно обмотки, проходящие через окно сердечника. Измерительный трансформатор по патенту RU 90256 является прототипом заявляемой полезной модели. Прототип, состоит из ферромагнитного сердечника, электроизолирующей оболочки сердечника, первичной обмотки, представляющей собой проходящий через сердечник вывод выключателя. Вывод выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с первым и вторым сквозными прямоугольными отверстиями, перпендикулярными своими осями первой паре параллельных граней параллелепипеда и симметричными относительно второй пары параллельных граней, а также со сквозным пазом, пересекающим перпендикулярно оба сквозных отверстия. На каждой грани параллелепипеда из первой пары граней изготовлены два глухих паза, заканчивающиеся в сквозном пазу с образованием двух S-образных токопроводов со встречным протеканием тока. Вторичная обмотка, расположена на сердечнике, смонтированном внутри сквозных прямоугольных отверстий с помощью электроизолирующей оболочки сердечника. Прототип при меньших линейных размерах обеспечивает измерение токов короткого замыкания в диапазоне до 20 значений номинального тока выключателя, имеет небольшие тепловые потери, обладает компактной конструкцией по отношению к компоновочному пространству автоматического выключателя, менее подвержен влиянию полей соседних полюсов. Однако использование такого измерительного трансформатора в качестве источника питания для работы исполнительного электромагнита, осуществляющего механическое воздействие на расцепляющую рейку выключателя, требует увеличения тока во вторичной обмотке трансформатора. Увеличить вторичный ток можно было бы, увеличив разностный ток первичной обмотки, т.е., увеличив разницу между поперечными сечениями S и S двух S-образных токопроводов вывода. Однако исследования показывают, что путем увеличения разностного тока, т.е., увеличением разности между сечениями S и S токопроводов вывода, увеличить существенно вторичный ток в обмотке трансформатора не удается. Причиной является небольшое увеличение разностного тока от увеличения разности сечений S и S. Экспериментальная кривая (см. графики фиг.1) показывает, что при изменении соотношения сечений S/S в 2 раза (с 4 до 8) изменение соотношения токов I/I в двух S-образных токопроводах вывода составляет всего 5%. Соответственно получается и небольшое увеличение вторичного тока в обмотке трансформатора прототипа, максимум на 18%. Объясняется это сложным пространственным перераспределением магнитных полей в выбранной малогабаритной конструкции. К тому же попытки увеличить разностный ток приводят к недопустимым перегревам такого малогабаритного трансформатора. Но увеличить вторичный ток можно было бы путем уменьшения взаимного влияния магнитных потоков, создаваемых встречно-параллельно включенными ветвями вывода, например перенаправляя магнитные потоки из участков сердечника, где потоки вычитаются, на участок, где они могут суммироваться. При моделировании распределения магнитных полей (см. рисунок фиг.2) в сердечнике С трансформатора и испытаниях трансформаторов было определено, что перенаправить определенную часть магнитных потоков с участков L, где они вычитаются, на участок Т, где они суммируются, можно с помощью ферромагнитной вставки F, помещенной в воздушный зазор вывода, образованный сквозным пазом между встречно-параллельными ветвями S и S вывода. Ферромагнитная вставка F выполняет роль частичного магнитного шунтирования встречных магнитных потоков и должна быть обязательно электрически изолированной от токопроводов S и S. Она также должна быть надежно закрепленной, чтобы исключить механические перемещения под действием электромагнитных сил. Насыщение ферромагнитной вставки F может регулироваться величиной ее поперечного сечения и зазорами δ между сердечником и ее сторонами, примыкающими к сердечнику. Снабжение прототипа электроизолированной ферромагнитной вставкой позволило бы увеличить результирующий магнитный поток под катушкой К, а значит, и увеличить вторичный ток в катушке. Прототип смог бы без существенного увеличения своих габаритов и массы расширить свои функциональные возможности и наряду с измерительными функциями, как датчика тока, выполнять и функцию источника питания.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечивает технико-экономический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей измерительного трансформатора в части использования его как источника питания для цепей исполнительного электромагнита микропроцессорного расцепителя максимального тока.
Указанный технико-экономический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в измерительном трансформаторе тока, содержащем ферромагнитный сердечник, электроизолирующую оболочку сердечника, первичную обмотку, представляющую собой проходящий через сердечник вывод выключателя, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с первым и вторым сквозными прямоугольными отверстиями, перпендикулярными своими осями первой паре параллельных граней параллелепипеда и симметричными относительно второй пары параллельных граней, а также со сквозным пазом, пересекающим перпендикулярно оба сквозных отверстия, и с изготовленными на каждой грани параллелепипеда из первой пары граней двумя глухими пазами, заканчивающимися в сквозном пазу с образованием двух S-образных токопроводов со встречным протеканием тока, вторичную обмотку, расположенную на сердечнике, смонтированном внутри сквозных прямоугольных отверстий с помощью электроизолирующей оболочки сердечника, введена вторая электроизолирующая оболочка, а магнитный шунт в виде ферромагнитной вставки установлен внутри второй оболочки. При этом вторая оболочка выполнена с продольным сечением, совпадающим по форме с сечением сквозного паза, проходящим параллельно продольной плоскости симметрии вывода выключателя, перпендикулярной первой паре граней вывода. Причем вторая оболочка имеет на противоположных сторонах фиксирующие пазы и помещена вовнутрь сквозного паза вывода напротив первого и второго сквозных прямоугольных отверстий таким образом, что фиксирующие пазы охватывают с двух сторон электроизолирующую оболочку сердечника. Кроме того, ферромагнитная вставка расположена в сквозном пазу так, что примыкает к ферромагнитному сердечнику с двух сторон с зазорами, величина которых определяется суммой толщин стенок обеих электроизолирующих оболочек.
Выполнение магнитного шунта в виде отдельной ферромагнитной вставки, смонтированной внутри введенной в конструкцию второй электроизолирующей оболочки, позволило, не нарушая собираемости прототипа, перераспределить магнитные потоки в сердечнике трансформатора с увеличением величины магнитного потока под вторичной обмоткой и увеличить передаваемую мощность из первичной обмотки во вторичную. Форма второй электроизолирующей оболочки, повторяющая в сечении форму сквозного паза вывода прототипа, а также фиксирующие пазы на противоположных сторонах второй электроизолирующей оболочки, обеспечивают надежную фиксацию ферромагнитной вставки внутри сквозного паза вывода без существенного увеличения габаритов трансформатора. Электроизолирующая оболочка сердечника, проходя через фиксирующие пазы второй оболочки, своими толщинами стенок совместно с толщинами стенок второй оболочки создают постоянные зазоры между ферромагнитной вставкой и ферромагнитным сердечником. Величина этих зазоров, а также размеры сечения вставки исключают насыщение магнитного шунта в требуемом диапазоне измерения токов при заданной величине минимального вторичного тока, необходимой для питания исполнительного электромагнита расцепителя.
Предлагаемая полезная модель может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи, как малогабаритный измерительный трансформатор тока с возможностью использования его и как источника питания для цепей микропроцессорного расцепителя и исполнительного электромагнита, воздействующего на расцепляющую рейку механизма свободного расцепления.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на рисунках фиг.3-7. На фиг.3 изображен общий аксонометрический вид измерительного трансформатора тока с магнитным шунтом в виде ферромагнитной вставки, смонтированной внутри второй электроизолирующей оболочки. Подробно оболочка со вставкой изображена в сечении А-А. Здесь же дано объемное изображение второй оболочки. На фиг.4 показана в аксонометрии конфигурация первичной обмотки трансформатора (конфигурация вывода выключателя, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда со сквозными прямоугольными отверстиями, сквозным и глухими пазами). Фиг.5 и 6 представляют собой виды на вывод выключателя со стороны каждой из первой пары граней и со стороны каждой из второй пары граней. Фиг.7 раскрывает внутреннее устройство полезной модели в разобранном виде.
1
2
1
2
Измерительный трансформатор тока с магнитным шунтом содержит ферромагнитный сердечник 1 (см. фиг.3), электроизолирующую оболочку 2, первичную обмотку, представляющую собой проходящий через сердечник 1 вывод 3 выключателя. Вывод 3 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с первым и вторым сквозными прямоугольными отверстиями 4, 5, (см. фиг.4, 5, 6) перпендикулярными своими осями первой паре параллельных граней 6, 7 параллелепипеда и симметричными относительно второй пары параллельных граней 8, 9, а также со сквозным пазом 10, пересекающим перпендикулярно оба сквозных отверстия 4, 5. На каждой грани 6,7 параллелепипеда из первой пары граней изготовлены по два глухих паза 11, 12 и 13, 14, заканчивающимися в сквозном пазу 10 с образованием двух S-образных токопроводов 15, 16 со встречным протеканием тока (см. фиг.5, 6). Вторичная обмотка 17 (см. фиг.3 и 7) расположена на сердечнике 1, смонтированном внутри сквозных прямоугольных отверстий 4, 5 с помощью электроизолирующей оболочки 2 сердечника. Для обеспечения собираемости сердечник 1 выполнен из двух частей 18, 19, скрепляемых между собой крепежными деталями 20, см. фиг.7. Дополнительно трансформатор снабжен второй электроизолирующей оболочкой 21, внутри которой смонтирован магнитный шунт в виде ферромагнитной вставки 22, см. фиг.3 и 7. Вторая оболочка 21 выполнена с боковыми стенками 23, 24, совпадающим по форме с сечением сквозного паза 10, которое параллельно продольной плоскости симметрии 25 вывода 3 (см. на фиг.5), перпендикулярной первой паре граней 6, 7. Вторая оболочка 21 имеет на противоположных сторонах фиксирующие пазы 26, 27 и помещена вовнутрь сквозного паза 10 напротив первого и второго сквозных прямоугольных отверстий 4, 5, причем таким образом, что фиксирующие пазы 26, 27 охватывают с двух сторон электроизолирующую оболочку сердечника 2 (см. сечение А-А на фиг.3). Кроме того, ферромагнитная вставка 22 расположена в сквозном пазу 10 так, что примыкает к ферромагнитному сердечнику 1 с двух сторон с зазорами, величина которых определяется суммой толщин t+t стенок обеих электроизолирующих оболочек 2 и 21. Суммарный зазор, таким образом, становится равным удвоенной сумме δ=2(t+t). Сборка измерительного трансформатора тока с магнитным шунтом производится в следующей последовательности. Ферромагнитная вставка 22, заизолированная со всех сторон оболочкой 21, (например литьевой пластмассой), вставляется стороной 24 в сквозной паз 10 вывода 3 так, что пазы 26, 27 второй оболочки устанавливаются напротив сквозных отверстий 4, 5. Дальше устанавливается в сквозные отверстия 4, 5 электроизолирующая оболочка 2, в которую предварительно установлены П-образные пластины 18 шихтованного сердечника 1. Оболочка 2, попадая в фиксирующие пазы 26, 27 второй оболочки 21, закрепляет ферромагнитную вставку 22 строго напротив сердечника 1, не давая смещаться вставке относительно сердечника. Затем оболочка 2 крепится крепежными деталями 28 на выводе 3 выключателя, а стержневая часть 19 седечника на П-образной части 18 крепежными деталями 20. Ток в выводе 3 выключателя проходит между торцами 29, 30 (см. на фиг.4 и 5) и разделяется внутри вывода на два встречно-параллельных тока, которые внутри сердечника проходят по встречно-параллельным ветвям 15 и 16.
Работает измерительный трансформатор тока с магнитным шунтом следующим образом.
При прохождении тока по встречно-паралельным S-образным ветвям 15, 16 вывода 3, который является первичной обмоткой трансформатора, ток делится на два встречных тока, которые создают в сердечнике 1 два встречно направленных магнитных потока. Результирующий магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке 17 электродвижущую  илу и при замыкании вторичной обмотки на нагрузку появится вторичный ток, пропорциональный результирующему магнитному потоку, то есть пропорциональный разностному току первичной обмотки. Для использования измерительного трансформатора в качестве источника питания, необходимо увеличить вторичный ток путем увеличения разностного тока, т.е. путем увеличения разницы между поперечными сечениями ветвей 15 и 16 первичной обмотки. Однако, при отсутствии ферромагнитной вставки 21, увеличение разностного тока не приводит к пропорциональному увеличению вторичного тока, что объясняется рядом причин. Основными из них являются:
- несимметричное расположение встречно-параллельных ветвей относительно сердечника и вторичной обмотки, которое сказывается тем больше, чем больше разница между размерами поперечных сечений ветвей вывода;
- размещением сердечника трансформатора внутри вывода;
- проявлением поверхностных эффектов и эффекта близости между ветвями вывода.
1
2
Ферромагнитная вставка 22, помещенная в сквозной паз 10 вывода 3 и механически зафиксированная на выводе второй электроизолирующей оболочкой 21, частично уменьшает влияние перечисленных причин на изменения величины вторичного тока. Вставка 22 в зоне Т, (см. фиг.2), шунтирует часть встречных магнитных потоков, проходящие на каждом из участков L сердечника 1, и уменьшает их взаимное влияние друг на друга, что эквивалентно увеличению разностного тока, а, следовательно, и вторичного тока в обмотке 17. На экспериментальных образцах измерительных трансформаторов с ферромагнитными вставками вторичный ток был повышен на 67-70%. Тем самым получена величина вторичного тока, достаточная для питания наиболее энергоемкой цепи исполнительного электромагнита. Для обеспечения работоспособности измерительного трансформатора в заданном диапазоне токов (зоне токов селективной работы выключателя) толщины стенок t, t обеих оболочек в местах примыкания вставки к сердечнику выбираются такими, чтобы при максимальном токе зоны селективной работы, исключить насыщение ферромагнитной вставки.
Таким образом, выполнение измерительного трансформатора тока автоматического выключателя в заявляемом виде с новыми конструктивными элементами, а именно с электроизолирующей второй оболочкой, магнитным шунтом, выполненным в виде ферромагнитной вставки, установленной внутри второй электроизолирующей оболочки, придание второй оболочке формы, совпадающей с формой сквозного паза вывода, снабжение вставки фиксирующими пазами, помещение вставки в сквозной паз вывода напротив первого и второго сквозных прямоугольных отверстий так, что фиксирующие пазы охватывают с двух сторон электроизолирующую оболочку сердечника, размещение ферромагнитной вставки в сквозном пазу с образованием между ферромагнитным сердечником и вставкой с двух сторон зазоров, величина которых определяется суммой толщин стенок обеих электроизолирующих оболочек, позволили достичь в предлагаемой модели расширения функциональных возможностей измерительного трансформатора в части использования его как источника питания для цепей исполнительного электромагнита микропроцессорного расцепителя максимального тока. Этот технико-экономический результат достигнут без существенного изменения габаритов и массы измерительного трансформатора. Масса увеличена на суммарную массу вставки и второй оболочки, что составляет менее 3% от массы прототипа, а линейный размер за счет расширения сквозного паза увеличивается не более чем на 6,5%.
Описанная конструкция полезной модели и описание ее работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для измерения токов в автоматическом выключателе с одновременным питанием цепей исполнительного электромагнита микропроцессорного расцепителя и относится к электротехнике и электроизмерительной технике, в частности к измерительным трансформаторам тока;
- для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».