УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА
DEVICE FOR CURRENT MEASUREMENT

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения переменных токов высокого уровня и определения момента перехода тока через нулевое значение в сильноточных цепях сетей промышленной частоты.
Известен коаксиальный шунт, содержащий два коаксиально расположенных цилиндра, внешний из которых выполнен в виде токопдвода к закрепленному на его днище внутреннему, служащему калиброванным сопротивлением, внутренний цилиндр выполнен разрезанным на четыре одинаковых элемента, два из которых выполнены из материала с малым, а остальные - из материала с высоким удельным сопротивлением, соединенных между собой и включенных в мостовую схему, омические сопротивления противоположных и индуктивности всех плеч которой равны между собой [1].
Недостатком данного шунта является динамическая погрешность, связанная с проявлением скин-эффекта в элементах внутреннего цилиндра, а также зависимость достигаемого эффекта (расширение частотного диапазона измерения импульсных токов) от точности изготовления элементов шунта.
Известно устройство для измерения тока, содержащее два металлических коаксиальных цилиндра, которые на одном торце соединены между собой с помощью фланца. На противоположном торце каждый из цилиндров имеет свой токоподвод. Внутренний цилиндр выполнен из материала с большим внутренним сопротивлением. Падение напряжения на внутреннем цилиндре подводится к осциллографу при помощи отпайки, расположенной на оси цилиндров и соединенной с центральным электродом ВЧ-разъема, закрепленного на фланце [2].
Недостатком этого устройства является динамическая погрешность. Из-за скин-эффекта во внутреннем цилиндре переходная характеристика имеет вид апериодической кривой, время нарастания которой пропорционально квадрату толщины стенки внутреннего цилиндра. Это время, согласно [3], выражается так
где τ - время нарастания переходной характеристики устройства;
µ - магнитная проницаемость материала цилиндра;
d - толщина стенки цилиндра;
ρ - удельное сопротивление материала цилиндра.
-6
Для цилиндра из нержавеющей стали, например, толщиной 3 мм, что обеспечивает термостойкость устройства при протекании тока в 100 кА в течение 0.2 сек, время нарастания составляет 3,6·10 сек. При таком времени запаздывания даже при точной отработке электронной схемой нуля тока значение тока в эти моменты будет во много раз превышать допустимый уровень, диктуемый требованиями, накладываемыми на переключающие устройства.
Наиболее близким аналогом является устройство для измерения тока, содержащее два коаксиально расположенных металлических цилиндра, высокочастотный разъем и токовую отпайку. Причем цилиндры соединены между собой на одном торце с помощью фланца, а на другом торце имеют каждый свой токоподвод, один конец отпайки соединен с внутренним цилиндром, а другой конец с центральным электродом ВЧ-разъема, расположенного на фланце. Отпайка расположена в пространстве между внутренним и внешним цилиндрами и через отверстие в боковой поверхности внутреннего цилиндра соединена с центральным электродом ВЧ-разъема через интегрирующую RC-цепочку, обеспечивающую преобразование напряжения наводимого на отпайке в сигнал, пропорциональный измеряемому току [4].
Недостатком этого устройства является неравномерность амплитудно-частотной характеристики устройства, а также наличие значительного сдвига фазы между напряжением, наводимым на отпайке и током, протекающим по устройству.
Задачей изобретения является уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики устройства, а также уменьшение сдвига фазы между напряжением, наводимым на отпайке и током, протекающим по устройству.
Техническим результатом является уменьшение времени реакции устройства на изменение измеряемого тока.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения тока, содержащее два коаксиально расположенных металлических цилиндра, соединенных на одном торце с помощью фланцев, а на другом торце имеющих каждый свой токоподвод, высокочастотный разъем, закрепленный на фланце одного из цилиндров, с коаксиально расположенным центральным электродом и по крайней мере одну токовую отпайку, расположенную в пространстве между внутренним и внешним цилиндрами и соединенную одним концом с внутренним цилиндром в начале его рабочей части, а другим - через отверстие в стенке внутреннего цилиндра и интегрирующую RC-цепочку с центральным электродом высокочастотного разъема, введен, по крайней мере, один дополнительный резистор, включенный между выводом центрального электрода высокочастотного разъема и корпусом внутреннего цилиндра последовательно с конденсатором RC-цепочки, а величины длин токовой отпайки и рабочей части внутреннего цилиндра выбраны в соответствии с соотношением:
где l - длина отпайки;
Н - длина рабочей части внутреннего цилиндра.
Токовая отпайка может быть выполнена в виде трубки с продольным разрезом, охватывающей внутренний цилиндр.
Конденсатор RC-цепочки и дополнительный резистор могут быть установлены в электронном усилительном блоке, соединенном с устройством с помощью высокочастотного кабеля.
RC-цепочка и дополнительный резистор могут быть установлены в электронном усилительном блоке, соединенном с устройством с помощью высокочастотного кабеля.
Введение в устройство для измерения тока дополнительного резистора, включенного между выводом центрального электрода высокочастотного разъема и корпусом внутреннего цилиндра последовательно с конденсатором RC-цепочки, позволяет уменьшить влияние собственной индуктивности измерительной цепи на результат измерения, что приводит к уменьшению времени реакции устройства на изменение измеряемого тока.
4
5
Выбор длины отпайки, равной половине длины рабочей части внутреннего цилиндра, позволяет снизить неравномерность амплитудно-частотной характеристики в области частот 10÷10 Гц. Это происходит из-за того, что при l=0.5 H напряжения, возникающие во внешней цепи за счет электрических полей на внешней и внутренней поверхности внутреннего цилиндра, действуя противофазно, то есть одно опережает номинальное значение, а другое от него отстает, при l=0.5 H максимально компенсируют недостатки друг друга и их сумма мало отличается от номинального значения.
Расположение конденсатора RC-цепочки и дополнительного резистора, а также RC-цепочки и дополнительного резистора в отдельном блоке обеспечивает более свободный доступ к элементам при их настройке.
На фиг.1 изображено устройство для определения тока.
На фиг.2 изображено сечение А-А устройства для определения тока с выполнением токовой отпайки в виде трубки с продольным разрезом.
На фиг.3 изображен вид амплитудно-частотной характеристики устройства для определения тока при различных условиях.
На фиг.4 изображена фазо-частотная зависимость выходного сигнала устройства для определения тока.
Устройство для измерения тока содержит два коаксиально расположенных металлических цилиндра 1 и 2, соединенных на одном торце с помощью фланцев 3 и 4 (фиг.1). Металлические цилиндры 1 и 2 на другом торце имеют каждый свой токоподвод 5 и 6. На внешней плоскости фланца 4 внутреннего цилиндра 2 закреплен высокочастотный разъем 7, с коаксиально расположенным центральным электродом 8. По крайней мере одна токовая отпайка 9 расположена в пространстве между внутренним 2 и внешним 1 цилиндрами и соединена одним концом с внутренним цилиндром 2 вверху в начале его рабочей части, а другим - через отверстие 10 в стенке внутреннего цилиндра 2 и интегрирующую RC-цепочку (резистор 11 и конденсатор 12) с центральным электродом 8 высокочастотного разъема 7. В устройство введен, по крайней мере, один дополнительный резистор 13, включенный между выводом центрального электрода 8 высокочастотного разъема 7 и корпусом внутреннего цилиндра 2 последовательно с конденсатором RC-цепочки 12, а величины длин токовой отпайки 9 - (l) и рабочей части внутреннего цилиндра 2 - (H) выбраны в соответствии с соотношением:
где l - длина отпайки;
H - длина рабочей части внутреннего цилиндра.
Токовая отпайка 9 выполнена в виде трубки 14 с продольным разрезом 15, охватывающей внутренний цилиндр 2 (фиг.2).
Для уменьшения влияния внешнего магнитного поля устройство содержит две идентичные параллельно включенные отпайки 9 и 16 расположенные симметрично относительно оси внутреннего цилиндра 2.
Все элементы отпаек 9 и 16 изолированы от цилиндров 1 и 2 на всем протяжении от места их соединения с внутренним цилиндром до высокочастотного разъема 7. Внутренний цилиндр 2, являющийся калиброванным сопротивлением, выполнен достаточно толстостенным из хорошо проводящего немагнитного материала, например нержавеющей стали.
В реальной конструкции устройства на внутренней плоскости фланца 4 расположена круглая диэлектрическая плата 17 с тремя круговыми проводящими дорожками. Между первой и второй дорожками припаяны параллельно соединенные конденсаторы 12, 18, образующие конденсатор интегрирующей RC-цепочки, а между второй и третьей, соединенной с корпусом внутреннего цилиндра 2 дорожками, припаяны параллельно соединенные резисторы 13, 19, образующие дополнительный резистор. Одни выводы конденсаторов 12, 18 соединены с центральным электродом 8 высокочастотного разъема 7, а другие - с выводами резисторов 13, 19, вторые выводы которых соединены с корпусом внутреннего цилиндра 2.
Увеличение числа конденсаторов интегрирующей цепочки и дополнительных резисторов позволяет уменьшить влияние их собственной индуктивности на результаты измерения.
В одном из вариантов исполнения устройства плата 17 с конденсаторами 12, 18 и дополнительными резисторами 13, 19 установлена, например, в электронном усилительном блоке, соединенном с устройством с помощью высокочастотного кабеля.
В другом варианте, кроме платы 17 с конденсаторами 12, 18 и дополнительными резисторами 13, 19, из устройства в электронный усилительный блок вынесен и интегрирующий резистор 11.
Эти варианты исполнения обеспечивают более свободный доступ к плате 17 при ее настройке.
Для измерения тока устройство токоподводами 5, 6 включается в разрыв одной из шин токовой цепи. Направление тока I в устройстве показано на чертеже стрелками. Элементарная теория, объясняющая работу этого устройства, сводится к уравнению
В левой части записана ЭДС, возникающая на участке расположения отпайки, справа - распределение этой ЭДС между разными элементами измерительной цепи, включающей токовую отпайку 9, соединительные провода 20, 21, резистор RC-цепочки 11, конденсатор RC-цепочки 12 и дополнительный резистор 13.
Величины, входящие в правую часть, обозначают:
R - сопротивление рабочей части внутреннего цилиндра 2 с учетом скин-эффекта;
- коэффициент взаимоиндукции отпайки 9;
µ - относительная магнитная проницаемость среды между цилиндрами 1 и 2;
l - длина отпайки 9;
h - ширина зазора между внешней частью отпайки 9 и внутренним цилиндром 2;
a - внешний радиус внутреннего цилиндра 2;
i - ток в измерительной цепи;
1
r - сопротивление интегрирующего резистора 11;
2
r - сопротивление дополнительного резистора 13 в участке измерительной цепи: центральный электрод 8 высокочастотного разъема 7, интегрирующий конденсатор 12, контакт конденсатора 12 с корпусом внутреннего цилиндра 2;
L - индуктивность измерительной цепи;
С - емкость интегрирующего конденсатора 12;
q - заряд интегрирующего конденсатора 12.
Учитывая, что , уравнение (1) может быть записано в виде:
Оптимальным режимом работы устройства с точки зрения точности воспроизведения формы тока является условие:
Выполняя его, уравнение (2) может быть представлено в виде:
где обозначено , .
1
2
1
0
2
Выражения F и F отличаются только тем, что в F входит r - сопротивление рабочей части внутреннего цилиндра 2 на постоянном токе, а в F - R - сопротивление рабочей части внутреннего цилиндра 2 с учетом скин-эффекта.
-jωt
Чтобы нагляднее представить свойства такого устройства для измерения тока, уравнение (4) проанализируем в частотном варианте, вводя круговую частоту ω и полагая, что все переменные величины изменяются по гармоническому закону, то есть пропорциональны e.
В этом случае имеем
1
2
0
2
1
Отсюда следует, что при ϖ·T>>1 F→0. При ϖ·T<<1 F→0. Но так как на низких частотах скин-эффект играет незначительную роль (R≈r), то и здесь F≈F. Следовательно, при соблюдении условия (3) по крайней мере на низких и на высоких частотах, напряжение на выходе высокочастотного разъема пропорционально току, то есть
0
Это равенство нарушается в окрестности частоты . Здесь наблюдается отклонение выходного напряжения от значений I·r.
Определить величину этих отклонений в рамках этого анализа невозможно. Для этого решалась электродинамическая задача на основе уравнений Максвелла. Были получены соотношения, позволяющие определить для заданной частоты распределение по толщине внутреннего цилиндра плотности тока и, следовательно, напряженности электрического поля. Это позволило рассчитать величину выходного напряжения в зависимости от частоты. Численные расчеты были проведены на компьютере с применением программы Mathcad.
-9
-4
0
Результаты расчета выходного напряжения с учетом скин-эффекта для цилиндра из нержавеющей стали диаметром 50 мм и толщиной стенки 3 мм представлены на фиг.3 и 4. В расчете принято: М=1.5·10 Гн, r=1.7·10 Ом.
На представленном на фиг.3 виде амплитудно-частотной характеристики кривые 1 получены для случая, когда длина токовой отпайки 9 равняется длине всей рабочей части внутреннего цилиндра 2 (l=H), кривые 2 - для случая, когда l=0.8 H, кривые 3 - для случая l=0.5 H, кривые 4 - для случая l=0.2 H, кривые 5 - для случая l=0.
2
2
-6
На фиг.3а представлен результат расчета без учета резистора r, на фиг.36 - с учетом этого резистора, величина сопротивления которого выбрана по условию (3) при принятой в расчете индуктивности L=1·10 Гн. Видно, что при l=0.5 H неравномерность частотной характеристики минимальна. Она снижается до 10 процентов. Применение резистора r расширяет полосу воспроизводимых частот в высокочастотной области.
-3
-3
-7
На представленной на фиг.4 фазо-частотной зависимости выходного сигнала устройства также наблюдается аналогичный эффект: наименьший сдвиг фазы имеет место при l=0.5 H. Особенно явно это выражается при небольших частотах. Например, при частоте 50 Гц фаза (в радианах) имеет следующие величины: 9×10-(1); -9×10-(5); 7×10-(3).
Вариант l=0.5 H выбирается в том случае, когда необходимо сформировать выходной сигнал наиболее точно воспроизводящий форму тока. Если важно обеспечить опережение фазы, отношение  должно быть больше 0.5; наоборот, для запаздывания фазы, отношение  должно быть меньше 0.5.
Условие l=0.5 H реализовано на практике в устройстве, толщина стенки внутреннего цилиндра которого изготовлены из немагнитной нержавеющей стали, составляет 3 мм, а длина рабочей части 10 см. Устройство сохраняет свою работоспособность при протекании тока 100 кА в течение 0.2 с.
4
5
Выбор длины отпайки, равной половине длины рабочей части внутреннего цилиндра, позволяет снизить неравномерность амплитудно-частотной характеристики в области частот 10÷10 Гц.
Введение в устройство для измерения тока дополнительного резистора, включенного между выводом центрального электрода высокочастотного разъема и корпусом внутреннего цилиндра последовательно с конденсатором RC-цепочки, позволяет уменьшить влияние собственной индуктивности измерительной цепи на результат измерения, что приводит к уменьшению времени реакции устройства на изменение измеряемого тока.
Расположение конденсатора RC-цепочки и дополнительного резистора, а также RC-цепочки и дополнительного резистора в отдельном блоке обеспечивает более свободный доступ к элементам при их настройке.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №813267, G01R 19/04, 1981.
2. Шваб А., Измерения на высоком напряжении. Пер. с нем. М., «Энергия», 1973, с.140.
3. Шваб А., Измерения на высоком напряжении. Пер. с нем. М., «Энергия», 1973, с.143.
4. Патент РФ №2216746, G01R 19/00, 2003.