ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ШУНТ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к измерительным шунтам для измерения электрического тока.
Известно устройство - шунт, предназначенный для измерения токов, напряжений и других величин в очень широком диапазоне их значений (По ред. А.В. Фремке. Электрические измерения. Л.: Энергия. 1973. С. 88). Конструктивно он состоит из массивных наконечников из красной меди, между которыми впаяны манганиновые пластины. На наконечниках расположены токовые выводы, а на манганиновых пластинах - потенциальные выводы.
Данный шунт характеризуется большим нагревом в процессе его работы и значительной собственной индуктивностью, что обуславливает значительную погрешность измерения электрического тока.
Известно устройство - измерительный шунт, выбранный в качестве прототипа (Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоиздат. 1987. С. 47-48), который для уменьшения собственной индуктивности выполнен по коаксиальному типу. Токовый вывод шунта с помощью гибкого токопровода соединяется с резистивным элементом, который выполнен в виде цилиндра из манганина. Резистивный элемент электрически соединен с наружным медным цилиндром, коаксиально расположенным относительно резистивного элемента, к которому жестко закреплен другой токовый вывод. Потенциальные выводы расположены в нижней части резистивного элемента. Для уменьшения нагрева шунта наружный медный цилиндр снабжен штуцерами для подвода и вывода воды, которая циркулирует во внутренней полости резистивного элемента и между резистивным элементом и наружным медным цилиндром.
Недостатком прототипа является то, что резистивный элемент расположен внутри медного цилиндра, поэтому тепло, выделяющееся на резистивном элементе, при нагреве отдается не в окружающую среду, а в замкнутое пространство токопроводящего медного цилиндра. В результате нагрева сопротивление измерительного шунта возрастает, и погрешность измерения электрического тока увеличивается.
Перед авторами стояла задача уменьшения погрешности измерения электрического тока путем уменьшения нагрева элементов шунта за счет улучшения условий теплопередачи.
Технический результат достигается тем, что в измерительном шунте, содержащем медный цилиндр, соединенный с первым токовым выводом, резистивный элемент цилиндрической формы с двумя потенциальными выводами, жестко соединенный со вторым токовым выводом, между медным цилиндром и резистивным элементом установлен цилиндр из изоляционного материала, электрически соединенный в торце с резистивным элементом.
Полезная модель поясняется чертежом.
Измерительный шунт содержит токовый вывод 1, изготовленный, например, из меди, жестко и электрически соединен с медным сплошным цилиндром 2. Медный цилиндр 2 вставлен во внутреннюю полость резистивного элемента 3 цилиндрической формы, который выполнен из материала с высоким значением удельного сопротивления, например, из манганина. На медный цилиндр 2 надет цилиндр 4, изготовленный из электроизолирующего материала, например, из фторопласта-4, фторопласта-4D, тефлона Б, который изолирует боковую поверхность медного цилиндра 2 от резистивного элемента 3. Электрический контакт между медным цилиндром 2 и резистивным элементом 3 осуществляется на их торцах 5 с помощью торцевого спайного элемента 6. К боковой поверхности резистивного элемента 3 жестко прикреплены другой токовый вывод 7 и два потенциальных вывода 8, к которым присоединяется кабель 9 измерительного прибора (не показан).
На чертеже стрелками показано направление тока.
Работа измерительного шунта осуществляется следующим образом. Электрический ток, проходя через токовый вывод 1, медный цилиндр 2, торцы 5, спайное торцевое соединение 6, резистивный элемент 3 и токовый вывод 7, вызывает нагрев резистивного элемента 3, вследствие его достаточно большого сопротивления, при этом большая часть тепла рассеивается его наружной поверхностью, т.е. отдается окружающей среде. В связи со сказанным нагрев измерительного шунта меньше по сравнению с прототипом. Возникающая разность потенциалов между местами присоединения потенциальных зажимов 8, пропорциональна измеряемому току. Эта разность потенциалов подается по измерительному кабелю 9 на измерительный прибор.
Плотная посадка резистивного элемента 3 на медный цилиндр 2 с тонким изолирующим цилиндром 4 позволяет получить коэффициент магнитной связи между двумя токоведущими системами: резистивным элементом 3 и медным цилиндром 2, практически равный 1,0.
стер
рез
При близких габаритных размерах и при встречном протекании токов в резистивном элементе 3 и медном цилиндре 2 коэффициент взаимной индукции (M) становится отрицательным и равным индуктивностям токового вывода 1 и медного цилиндра 2 (L) и резистивного элемента 3 (L).
Расчет индуктивностей производился по П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин Расчет индуктивностей. Справочник. Л.: Энергоатомиздат. 1986.
При этом эквивалентная индуктивность становится равной
ЭКВ
рез
L=L-M≈0 мкГн.
ср.ш
Например, при длине резистивного элемента 3 шунта l=10 см и среднем его радиусе r=0,75 см индуктивность шунта (резистивного элемента) равна
,
0
где µ - магнитная постоянная.
стер
стер
При длине медного цилиндра 2 l=10 см и его радиусе r=0,5 см индуктивность стержня равна
.
Коэффициент взаимной индукции при коэффициенте связи k=0,9 равен
.
Тогда эквивалентная индуктивность равна
ЭКВ
рез
L=L-M=0,04567-0,00446=0,001≈0 мкГн.
Внешнее расположение резистивного элемента 3 относительно медного цилиндра 2 позволяет часть выделяющегося тепла на резистивном элементе 3 отдать окружающей среде, а не медному цилиндру 2, что ведет к уменьшению нагрева всего измерительного шунта. Коаксиальное расположение медного цилиндра 2 и резистивного элемента 3 приводит к увеличению магнитной связи между ними, т.е. к значительному уменьшению индуктивности измерительного шунта. Отмеченные явления приводят к уменьшению погрешности измерения электрического тока.