КОАКСИАЛЬНЫЙ ШУНТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерений переменных токов в импульсной энергетике или в системах распределения энергии.
Известен коаксиальный шунт переменного тока (Векслер М.С., Теплинский A.M. Шунты переменного тока. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - С. 16-17), который состоит из двух вложенных друг в друга цилиндров. Внутренний цилиндр выполнен из материала с высоким удельным сопротивлением, например, из манганина или константана, а внешний цилиндр изготовлен из материала с низким удельным сопротивлением - из меди. К внутреннему и внешнему цилиндрам прикреплены токовые выводы. Потенциальные выводы припаяны к внутренней поверхности внутреннего цилиндра на противоположных сторонах и расположены на оси цилиндра.
Недостатком этого шунта является наличие поверхностного эффекта, связанного со способом крепления и расположения потенциальных выводов, из-за которого возникает значительная динамическая погрешность, ограничивающая время отклика и время прохождения сигнала, а также низкий уровень выходного напряжения.
Общим существенным признаком с заявляемым устройством является наличие внешнего цилиндра, выполненного из меди, двух токовых выводов, расположенных у торца внешнего цилиндра, а также потенциального вывода.
9
Известен коаксиальный шунт переменного тока (патент RU №157288, МПК G01R 19/00, опубл. 27.11.2015), принятый за прототип, состоящий из двух цилиндров, вложенных друг в друга. С одной стороны внешнего цилиндра, к его торцу, присоединен первый токовый вывод, являющийся общим токовым выводом. К внутреннему цилиндру из манганина присоединен второй токовый вывод. Внешний цилиндр выполнен из меди, причем со стороны первого токового вывода в торец внутреннего цилиндра вставлен второй токовый вывод. С другой стороны, в торцы внешнего цилиндра и внутреннего цилиндра вставлен общий потенциальный вывод, внутри которого на монтажной плате расположены два последовательно соединенных резистора, к средней точке которых присоединен провод, связанный с коаксиальным радиочастотным разъёмом (BNC). К внешней поверхности внутреннего цилиндра присоединен первый потенциальный вывод и через отверстие в нем проведен внутрь, и соединен с первым резистором. Второй потенциальный вывод присоединен к центру внутреннего торца токового вывода и соединен со вторым резистором. Прототип обеспечивает измерение импульсного тока фронтом до 10А/с с предельной амплитудой тока 1 кА.
Недостатком прототипа являются сложность изготовления и сборки; малая надежность конструкции шунта для заявленных характеристик – используемые в конструкции пайка и установка коаксиального радиочастотного разъёма (BNC) потенциальной цепи на токоведущую часть делает конструкцию непригодной для многократных измерений больших импульсных токов.
Достоинством устройства является высокая точность измерения тока.
Общим существенным признаком с заявляемым устройством является наличие внешнего цилиндра, выполненного из меди, двух токовых выводов, расположенных у первого торца внешнего цилиндра, а также потенциального вывода, соединенного с коаксиальным радиочастотным разъёмом (BNC), установленным у второго торца внешнего цилиндра.
Задачей заявляемого технического решения является увеличение амплитуды фронта измеряемого тока и увеличение эксплуатационной надежности устройства.
Технический результат, обеспечиваемый при воплощении данного технического решения, заключается в расширении арсенала технических средств аналогичного назначения, с одновременным увеличением амплитуды фронта измеряемого тока, упрощением конструкции устройства с сохранением схожей с прототипом точности измерения, а также повышением надежности узлов устройства при эксплуатации.
Заявляемый технический результат достигается тем, что коаксиальный шунт переменного тока состоит из внешнего цилиндра, выполненного из меди, двух токовых выводов, расположенных у первого торца внешнего цилиндра, потенциального вывода, соединенного с коаксиальным радиочастотным разъёмом (BNC), установленным на втором торце внешнего цилиндра. Внутри внешнего цилиндра, у первого его торца размещен медный фланец, разделенный с внешним цилиндром диэлектрической втулкой. Внутри медного фланца, путем болтового соединения по концентрической окружности, центром которой является ось внешнего цилиндра, одним концом прикреплены манганиновые шунты постоянного тока, закрепленные вторым концом с помощью болтового соединения  на внешнем цилиндре. У второго торца внешнего цилиндра на диэлектрическом фланце установлен коаксиальный радиочастотный разъём (BNC), соединенный потенциальным выводом с манганиновым шунтом. В местах болтовых соединений на поверхностях внешнего цилиндра и медного фланца нанесено антиокислительное покрытие.
Рекомендуется в качестве антиокислительного покрытия наносить серебро.
Предпочтительно наносить серебряное покрытие в местах болтовых соединений  толщиной 5 мкм.
Рекомендуется использовать диэлектрический фланец из текстолита.
Обратный токопровод, выполненный в виде внешнего цилиндра из меди, взаимно компенсирует индуктивную составляющую шунтов постоянного тока, а за счет нанесения антиокислительного  покрытия из серебра на поверхности внешнего цилиндра и фланца в местах болтовых соединений толщиной 5 мкм решена проблема неравенства переходных сопротивлений.
Повышение надежности конструкции в сравнении с прототипом достигнуто за счет использования для монтажа устройства болтовых соединений, а упрощение конструкции достигнуто за счет использования широко выпускаемых шунтов постоянного тока.
В конструкции шунта переменного тока предусмотрено пространство, в котором магнитное поле практически полностью отсутствует, для установки устройств оцифровки и передачи данных с шунта для обеспечения полной помехозащищенности измерительных цепей.
На фиг.1 показана конструкция коаксиального шунта переменного тока.
На фиг.2 показана кривая амплитудно-частотной характеристики коаксиального шунта переменного тока.
Коаксиальный шунт переменного тока содержит шунты постоянного тока 1, выполненные в виде пластин из сплава манганина, и закрепленные путем болтового соединения одним концом на медном фланце 2 по концентрической окружности, центром которой является ось обратного токопровода, выполненного в виде медного внешнего цилиндра 3, а другим концом шунты постоянного тока путем болтового соединения соединены с внешним цилиндром 3. Медный фланец 2 расположен внутри медного цилиндра 3, при этом они разделены друг от друга диэлектрической втулкой 4. С одной стороны к торцевым поверхностям медного фланца 2 и внешнего цилиндра 3 путем болтового соединения прикреплены пластины токовых выводов 5 и 6. Потенциальный вывод 7 шунтов постоянного тока соединен с коаксиальным радиочастотным разъёмом (BNC) 8, размещенным на диэлектрическом фланце 9, выполненном их текстолита. В местах болтовых соединений на поверхности внешнего цилиндра и медного фланца нанесено антиокислительное покрытие, например серебряное, толщиной 5 мкм.
Устройство работает следующим образом.
При  пропускании  тока большой амплитуды через токовые выводы 5 и 6 ток протекает по шунтам постоянного тока 1 и внешнему цилиндру 3 в противоположных направлениях. Ток создает падение напряжения на шунтах постоянного тока 1. Выходное напряжение снимается потенциальным выводом 7 через коаксиальный радиочастотный разъём (BNC) 8. За счет разнонаправленности токов взаимно компенсируется магнитное поле, создаваемое током в шунтах постоянного тока 1, благодаря чему пропадает влияние на измерения индуктивной составляющей шунтов постоянного тока 1.
16
Пример практического исполнения. Был изготовлен опытный образец коаксиального шунта переменного тока с использованием шунтов постоянного тока марки 75ШИСВ.1 200 А. Габаритные размеры изготовленного образца без токовых выводов составили 223х120х120 мм, с токовыми выводами – 223х174х120 мм. Для представленного коаксиального шунта с результирующим сопротивлением резистивной части 62,5 мкОм была получена кривая амплитудно-частотной характеристики (фиг.2). Верхняя граничная частота по уровню минус 3 дБ составляла 820 кГц. Из данной кривой было установлено, что при измерении тока частотой до 300 кГц коаксиальный шунт будет соответствовать классу точности 0,5. При этом при проведении испытаний коаксиального шунта был достигнут максимальный фронт импульса тока 10 А/с.
16
Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволило добиться большего предела фронта импульса измеряемого тока, а именно 10А/с. Увеличена надежность конструкции устройства за счет болтового соединения деталей устройства, а также сглажена разница в переходных сопротивлениях токовой цепи за счет нанесения антиокислительного покрытия на поверхности болтовых соединений внешнего цилиндра и медного фланца из серебра  толщиной 5 мкм.