ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА БЕЗ РАЗРЫВА ЦЕПИ (ВАРИАНТЫ)
TRANSFORMER FOR CURRENT METERING WITHOUT CIRCUIT DISRUPTION (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и предназначено для измерения переменного тока без разрыва токонесущего провода электрической цепи. Предлагаемые трансформаторы тока (далее ТТ) могут применяться как в стационарном исполнении, так и в переносных (портативных) приборах, например, аналогичных токоизмерительным клещам, для точных измерений, в том числе мощности и энергии переменного тока.
Известен трансформатор тока, содержащий первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, разъемный магнитопровод, состоящий из двух сердечников полукольцевой формы, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод по части его периметра. (См. «Method and device for installing and removing a current transformer on and from a current-carrying power line» Патент США №6756776, НКИ 324/127; 324/126; 336/212; 336/229, МКИ H01F 38/30). В рабочем состоянии этого трансформатора тока замкнутый кольцевой магнитопровод, охватывающий токонесущий провод с измеряемым током, образуется путем стыковки концевых частей двух сердечников полукольцевой формы. Недостатками таких разъемных трансформаторов тока являются низкая точность, обусловлення влиянием остаточных воздушных зазоров, объективно существующих на обоих стыках сердечников, и узкая область применения из-за необходимости стяжки сердечников при каждой его переустановке.
Известен трансформатор для измерения тока без разрыва цепи, содержащий первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, разъемный кольцевой магнитопровод, состоящий из двух сердечников полукольцевой формы, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод по части его периметра. См. Split core current transformer having an interleaved joint and hinge structure. (Патент США №4048605 Current U.S. Class: 336/176; 336/217. МКИ H01F 38/30 (20060101); H01F 27/245 (20060101); H01F 38/28 (20060101); H01F 017/06).
В этом устройстве соединяемые в рабочем состоянии концевые части сердечников магнитопровода выполняются гребенчатыми с глубиной взаимного проникновения, равной половине ширины сердечников. Это несколько увеличивает площадь поверхности их смыкания, а сжатие (стяжка) концевых частей концевых частей сердечников магнитопровода при его приведении в рабочее положение частично уменьшает ширину остаточных воздушных зазоров. Недостатками такого разъемного трансформатора тока являются сложность изготовления сердечников магнитопровода требуемой формы, а также низкая точность при малых значениях тока из-за низкой начальной магнитной проницаемости магнитных материалов, выдерживающих большие механические напряжения при изготовлении сердечников нужной формы и при стяжке их мест смыкания для приведения магнитопровода в рабочее положение.
Известны устройства для измерения тока без разрыва цепи, называемые токоизмерительными клещами Дитца и содержащие разъемный магнитопровод, образованный подвижным и неподвижным сердечниками полукольцевой формы, один конец которых соединен общей осью, а вторые концы образуют воздушный зазор для ввода токонесущего провода с измеряемым током, образующего первичной обмотку, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод по части его периметра (см., например, «Precision split core type current transformer», CN 2775813 (Y), МКИ H01F 38/30; H01F 38/28).
Замыкание кольцевого магнитопровода в рабочем состоянии такого трансформатора тока (ТТ) производится стыковкой вторых концевых частей обоих сердечников полукольцевой формы, для чего их поворачивают вокруг оси, скрепляющей первые концевые части. Недостатком таких трансформаторов тока является низкая точность из-за влияния остаточных воздушных зазоров, объективно существующих на обоих стыках концевых частей сердечников при их смыкании в рабочем положении. Причинами изменения ширины зазора могут быть отсутствие параллельности (перекос) смыкаемых соприкасающихся плоскостей сердечников по меньшей мере в одном из стыков сердечников, а также мелкие частицы пыли и грязи, неизбежно попадающие на эти поверхности. Кроме того, в этой конструкции из-за механических напряжений в оси вращения, скрепляющей первые концевые части сердечников магнитопровода, затруднительно применение хрупких магнитных материалов, сохраняющих высокое значение магнитной проницаемости в области низких значений напряженности поля (начальная магнитная проницаемость) и позволяющих обеспечить точность в области малых значений измеряемого первичного тока.
У таких трансформаторов тока площадь смыкания разнимаемых концевых частей сердечников в рабочем стыке невелика и определяется их поперечным сечением, поэтому даже при небольшой ширине остаточный зазор резко увеличивает сопротивление магнитной цепи и ухудшает магнитную связь первичной и вторичной обмоток. Это является причиной увеличения составляющей первичного тока, затрачиваемой на намагничивание и не трансформируемой во вторичную обмотку. Наличие воздушного зазора в магнитопроводе уменьшает индуктивность вторичной обмотки, что при активном характере нагрузки отражается, в первую очередь, на угловой составляющей погрешности трансформатора тока, сильно влияющей на точность измерения электрической мощности и энергии переменного тока.
Угловая составляющая погрешности ТТ определяется выражением:
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mtext>arctg (Xм/(Rт</mtext><mo>+</mo><mtext>Rн))</mtext><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
гдеХм=2π·f·Lм - индуктивное сопротивление вторичной обмотки ТТ;
Rт - активное сопротивление вторичной обмотки ТТ;
Rн - активное сопротивление нагрузки ТТ;
Lм - индуктивность вторичной обмотки;
f - частота тока первичной обмотки.
Из (1) видно, что снижение угловой погрешности возможно как за счет уменьшения активной составляющей сопротивления цепи вторичной обмотки (Rт+Rн), так и за счет увеличения индуктивного сопротивления вторичной обмотки Хм.
По первому пути идут в так называемых активных трансформаторах тока, используемых в том числе и для измерения тока без разрыва токовой цепи. Известен, например, трансформатор тока, предлагаемый для построения токоизмерительных клещей и содержащий первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, магнитопровод, состоящий из двух сердечников полукольцевой формы, и вторичную обмотку, к выводам которой подключена активная электрическая цепь с отрицательным сопротивлением, равным сопротивлению вторичной обмотки трансформатора (См. Current transformer with reduced resistance. GB №2388914, MKИ G01R I5/18; H01F 27/34).
Активная электрическая цепь с отрицательным сопротивлением широко используется для компенсация сопротивления нагрузки также и неразъемных трансформаторах тока. Это решение в обоих указанных применениях позволяет уменьшить, в том числе, и угловую составляющую их погрешности за счет компенсации части сопротивления нагрузки трансформатора тока, в которую кроме сопротивления полезной нагрузки Rн входит также и активное сопротивление вторичной обмотки Rт. При этом индуктивность вторичной обмотки не изменяется.
Однако, компенсация сопротивления нагрузки не может быть ни полной - из-за потери устойчивости режима электрической цепи, ни глубокой - из-за большого времени установления режима (колебательность) и необходимости запаса на возможное изменение параметров цепи, и поэтому реализуема только для части активной составляющей цепи вторичной обмотки трансформатора тока. Например, необходим запас на температурные изменения сопротивления медного провода вторичной обмотки Rt, составляющего значительную часть всего сопротивления нагрузки вторичной обмотки трансформатора тока. По указанным причинам реальный уровень компенсации активного сопротивления вторичной обмотки ограничен одной декадой.
При высоких требованиях к точности для разъемных трансформаторов тока такой уровень компенсации при использовании электрической цепи с отрицательным сопротивлением недостаточен по причине низкого значения индуктивности их вторичной обмотки. Эффект от использования такой цепи также недостаточен для устранения погрешности ТТ при малых значениях тока, обусловленной низкой начальной магнитной проницаемостью магнитных материалов, способных выдерживать большие механические напряжения при изготовлении сердечников нужной формы, а также при стяжке мест их смыкания для приведения магнитопровода в рабочее положение.
Если воздушный зазор в кольцевом магнитопроводе отсутствует или его влияние пренебрежимо, то индуктивность вторичной обмотки определяется выражением:
<mrow><mi>L</mi><mi>м</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>μ</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>W</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
-7
где µ=4·π·10 - абсолютная магнитная проницаемость;
µ - относительная магнитная проницаемость материала сердечников магнитопровода;
S - сечение сердечников магнитопровода;
W - количество витков вторичной обмотки;
ср
l - средняя длина магнитной силовой линии магнитопровода,
6
Индуктивное сопротивление Хм вторичной обмотки в наибольшей степени (квадратично) зависит от количества витков, но при тех же габаритах магнитопровода только за счет этого параметра существенно уменьшить угловую погрешность трансформатора тока невозможно, поскольку это приведет к возрастанию активного сопротивления вторичной обмотки, пропорциональному увеличению индуктивности вторичной обмотки (из-за увеличения длины и уменьшения сечения провода). Кроме того, на выбор количества витков вторичной обмотки накладывают ограничения требования по уровню ее тока и значению коэффициента трансформации. Размерные параметры магнитопровода (S и lср) из-за противоположности их влияния на величину индуктивности вторичной обмотки не дают большой свободы для ее увеличения вследствие чего их, как правило, выбирают исходя из энергетических и конструктивных ограничений. По указанным причинам наиболее эффективным путем получения большого значения индуктивности вторичной обмотки является использование материала магнитопровода с высокой относительной магнитной проницаемостью µ, производимое с учетом доступности материалов, у которых значение µ может превышать 10.
-3
В полной мере использовать эту возможность удается в ТТ, не имеющих воздушного зазора в магнитопроводе. В сочетании с другими мерами, в том числе и компенсацией сопротивления нагрузки ТТ активной цепью с отрицательным сопротивлением, это дает возможность снизить угловую погрешность до уровня 10 град., чего вполне достаточно для большинства приложений, включая и измерение электрической мощности для учета электрической энергии, где точность измерения нормируется в диапазоне трех декад тока.
Наличие воздушного радиального зазора в кольцевом магнитопроводе не только снижает индуктивность вторичной обмотки трансформатора тока, но также сильно ограничивает эффективность использования в сердечниках магнитопровода материалов с высокой относительной магнитной проницаемостью, в том числе и начальной, что видно из выражения для индуктивности вторичной обмотки с таким магнитопроводом:
<mrow><mi>L</mi><mi>м</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>W</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>μ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Δ - ширина радиального воздушного зазора. Ее значение не может быть постоянным для всей поверхности смыкания сердечников магнитопровода, поэтому здесь и далее оно учитывается как эквивалентное (среднее).
ср
cp
3
3
Воздушный зазор оказывает преобладающее влияние на индуктивность вторичной обмотки уже при небольших значениях магнитной проницаемости материала сердечников. Например, в магнитопроводе, имеющем среднюю длину магнитной силовой линии магнитопровода l=0,1 м и ширину воздушного зазора Δ=0,1 мм, применение материала с µ>10 становится неэффективным, поскольку не сопровождается увеличением индуктивности вторичной обмотки. С другой стороны, зазоры с шириной Δ<l/µ мало влияют на значение индуктивности вторичной обмотки. В нашем примере при µ=10 ширина таких зазоров должна составлять менее 30 мкм.
Наименьшее значение ширины Δ остаточного зазора технологически наиболее просто обеспечивается для плоских параллельных поверхностей и в этом случае ее величина ограничена уровнем шероховатости смыкаемых поверхностей. Производители серийно выпускаемых магнитных сердечников обеспечивают значение шероховатости их плоских поверхностей на уровне 1 мкм. Однако в известных конструкциях ТТ с разъемным магнитопроводом ширина остаточного воздушного зазора превышает указанный уровень в десятки и сотни раз. Причина этого заключается в неизбежной неточности изготовления смыкаемых поверхностей разных концов каждого из сердечников магнитопровода, конструктивно имеющих различную ориентировку в пространстве.
Другой общий недостаток известных конструкций ТТ с разъемным магнитопроводом состоит в низкой защищенности смыкаемых поверхностей сердечников от попадания грязи и пыли, что приводит к дополнительному неконтролируемому многократному увеличению величины остаточного зазора и, соответственно, к снижению индуктивности вторичной обмотки.
Известен трансформатор тока, содержащий первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, кольцевой магнитопровод, состоящий из двух концентрически совмещенных кольцевых сердечников, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод по части его периметра. (См. Current transformer. Патент США №6191673, МКИ H01F 27/36; H01F 27/38; H01F 38/28; H01F 38/30; H01F 27/34; H01F 38/28). Этот трансформатор нельзя использовать без разрыва токонесущего провода электрической цепи.
Наиболее близким к заявленной группе изобретений является трансформатор тока, содержащий первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, магнитопровод, состоящий по крайней мере из двух кольцевых сердечников, вставленных друг в друга или наложенных друг на друга торцевыми поверхностями, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод по части его периметра. (Пат. РФ №2263363, МПК H01F 38/30). Однако этот трансформатор тока также нельзя использовать без разрыва токонесущего провода.
В изобретении решается задача создания трансформатора тока повышенной точности для измерения переменного тока без разрыва токонесущего провода электрической цепи.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении точности измерения переменного тока без разрыва токонесущего провода электрической цепи.
Поставленная задача решается за счет того, что в первом варианте предлагаемого трансформатора для измерения тока без разрыва цепи, содержащем первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, магнитопровод, состоящий по меньшей мере из двух совмещенных соосно кольцевых сердечников, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод, введен кольцевой каркас, в котором соосно с ним размещены кольцевые сердечники, вторичная обмотка размещена на кольцевом каркасе, кольцевой каркас выполнен с возможностью поворота по меньшей мере одного из кольцевых сердечников вокруг их общей геометрической оси, а кольцевые сердечники магнитопровода и кольцевой каркас выполнены с радиальными зазорами, обеспечивающими прохождение токонесущего провода цепи.
По меньшей мере один из кольцевых сердечников первого варианта предлагаемого трансформатора может быть охвачен лентой, скрепленной с частью поверхности его внешней стороны, при этом концы ленты выведены наружу через радиальный зазор каркаса.
Кольцевой каркас первого варианта предлагаемого трансформатора может быть снабжен окном на его внешней стороне, диаметрально противоположной радиальному зазору. В этом случае, по первой реализации, по меньшей мере один из кольцевых сердечников охватывается лентой, прикрепленной концами к части поверхности его внешней стороны с обеих сторон радиального зазора, при этом средняя часть ленты в форме кольца выведена наружу через окно каркаса. По второй реализации трансформатор дополнительно снабжен кронштейном и закрепленным в нем с возможностью вращения валом с фрикционным роликом, причем соединение кронштейна с кольцевым каркасом обеспечивает прижим фрикционного ролика к внешней поверхности кольцевого сердечника в окне каркаса и параллельность их осей вращения. По третьей реализации трансформатор дополнительно снабжен кронштейном и закрепленным в нем с возможностью вращения червячным винтом, причем соединение кронштейна с кольцевым каркасом обеспечивает прижим червячного винта в тангенциальном направлении к внешней боковой поверхности кольцевого сердечника в окне каркаса. При этом поверхность внешней стороны кольцевого сердечника выполнена с периодической структурой, соответствующей шагу червячного винта.
Во втором варианте поставленная задача решается за счет того, что в трансформаторе для измерения тока без разрыва цепи, содержащем первичную обмотку, образованную токонесущим проводом цепи, магнитопровод, состоящий по меньшей мере из двух совмещенных соосно кольцевых сердечников, и вторичную обмотку, охватывающую магнитопровод, один из кольцевых сердечников выполнен полым, в нем размещен по меньшей мере один внутренний кольцевой сердечник, выполненный с возможностью поворота вокруг их общей геометрической оси, вторичная обмотка размещена на полом кольцевом сердечнике, а кольцевые сердечники магнитопровода выполнены с радиальными зазорами, обеспечивающими прохождение токонесущего провода цепи.
По меньшей мере один внутренний кольцевой сердечник второго варианта предлагаемого трансформатора может быть охвачен с внешней стороны скрепленной с ним лентой, причем концы ленты выведена наружу через радиальный зазор полого кольцевого сердечника.
Внешняя сторона полого кольцевого сердечника второго варианта предлагаемого трансформатора может быть снабжена окном со стороны, диаметрально противоположной его радиальному зазору. В этом случае, по первой реализации, по меньшей мере один внутренний кольцевой сердечник охватывается лентой, прикрепленной концами к поверхности его внешней стороны с обеих сторон радиального зазора, причем средняя часть ленты в форме кольца выведена наружу через окно полого кольцевого сердечника. По второй реализации трансформатор дополнительно снабжен кронштейном и закрепленным в нем с возможностью вращения валом с фрикционным роликом, причем соединение кронштейна с полым кольцевым сердечником обеспечивает прижим фрикционного ролика к внешней боковой поверхности внутреннего кольцевого сердечника в окне каркаса при параллельности их осей вращения. По третьей реализации трансформатор дополнительно снабжен кронштейном и закрепленным в нем с возможностью вращения червячным винтом, причем соединение кронштейна с полым кольцевым сердечником обеспечивает прижим червячного винта в тангенциальном направлении к внешней боковой поверхности внутреннего кольцевого сердечника в окне полого кольцевого сердечника. При этом поверхность внешней стороны кольцевого сердечника выполнена с периодической структурой, соответствующей шагу червячного винта.
Лента, используемая для поворота кольцевых сердечников в первом и втором вариантах предлагаемого трансформатора, может быть выполнена из магнитного материала.
На фиг.1 приведен пример выполнения первого варианта предлагаемого трансформатора тока, магнитопровод которого состоит из двух кольцевых сердечников прямоугольного сечения.
На фиг.2 показано поперечное сечение магнитопровода трансформатора тока по первому варианту, состоящего из двух кольцевых сердечников прямоугольного сечения.
На фиг.3 показано поперечное сечение магнитопровода трансформатора тока по первому варианту, состоящего из двух кольцевых сердечников полукруглого сечения.
На фиг.4 приведен пример выполнения второго варианта предлагаемого трансформатора тока с полым неподвижным кольцевым сердечником прямоугольной наружной формой поперечного сечения, в котором в качестве средства поворота служит лента.
На фиг.5 показано поперечное сечение магнитопровода трансформатора тока по второму варианту его выполнения с неподвижным полым кольцевым сердечником прямоугольной формой поперечного сечения.
На фиг.6 показано поперечное сечение магнитопровода трансформатора тока по второму варианту его выполнения с неподвижным полым кольцевым сердечником круглой наружной формой поперечного сечения.
На фиг.7 приведен пример выполнения первого варианта предлагаемого трансформатора тока, магнитопровод которого состоит из двух кольцевых сердечников прямоугольного сечения, поворот которых производится через окно каркаса.
На фиг.8а показан пример и выполнения второго варианта предлагаемого трансформатора тока, в котором для поворота кольцевого сердечника используется лента с механическим приводом, а на фиг.86 его поперечный разрез.
На фиг.9а приведен пример выполнения первого варианта предлагаемого трансформатора тока, в котором поворот кольцевых сердечников магнитопровода производится с помощью механизма с фрикционным роликом, а на фиг.9б радиальный разрез по линии прилегания фрикционного ролика к кольцевым сердечникам.
На фиг.10а приведен пример выполнения второго варианта предлагаемого трансформатора тока, в котором поворот кольцевого сердечника магнитопровода производится с помощью червячного механизма, а на фиг.10б радиальный разрез по линии сцепления винта с к кольцевым сердечникам.
Первый вариант предлагаемого трансформатора тока, выполнение которого показано на фиг.1, содержит магнитопровод, состоящий из двух одинаковых кольцевых сердечников 1 и 2, и жесткий каркас 3, на который равномерно намотана вторичная обмотка 4. Кольцевые сердечники 1 и 2 и каркас 3 выполнены с радиальными зазорами 5, ширина которых обеспечивает прохождение токонесущего провода 6, образующего первичную обмотку ТТ. Внешняя боковая поверхность кольцевых сердечников 1 и 2 выполнена с рифлением 7.
Трансформатор тока по первому варианту его выполнения работает следующим образом. В исходном состоянии перед подключением к токоведущему проводу кольцевые сердечники 1 и 2 устанавливаются в положение, когда их радиальные зазоры совмещены с радиальным зазором каркаса 4. Через этот общий радиальный зазор 5 токоведущий провод 6 цепи с измеряемым током вводится в окно трансформатора тока и образует его первичную обмотку. Для приведения трансформатора в рабочее положение кольцевые сердечники 1 и 2 магнитопровода поворачивают относительно друг друга на часть полного оборота, причем оптимальным является положение, когда зазоры сердечников равноудалены друг от друга по периметру (окружности) магнитопровода. Для конструкции с двумя кольцевыми сердечниками оптимальным значением взаимного угла поворота является 180°. Такой угол необходим для поворота только одного сердечника относительно второго и каркаса 4, а при повороте каждого из сердечников 1 и 2 достаточны углы, соответственно, +90° и -90°.
В рабочем положении радиальный зазор каждого из кольцевых сердечников перекрестно перекрывается (шунтируется) другим сердечником, за счет чего зазор в магнитной цепи уменьшается в сравнении с исходным положением до остаточного по всей поверхности смыкания сердечников. Форма кольцевых сердечников магнитопровода выполняется такой, чтобы площадь поверхности их смыкания многократно превышала площадь их радиального сечения, а качество подготовки смыкаемых поверхностей обеспечивало минимальный остаточный зазор в рабочем положении. Эти требования удовлетворяются при плоской форме смыкаемых поверхностей кольцевых сердечников, например при прямоугольной (фиг.2) или полукруглой (фиг.3) форме радиального сечения подвижных кольцевых сердечников 2 и 3, плоские торцевые соприкасающиеся поверхности которых просто выполнить с низким уровнем шероховатости, определяющим ширину остаточного воздушного зазора между кольцевыми сердечниками магнитопровода.
0
При переходе от исходного положения к рабочему ширина воздушного зазора в магнитопроводе уменьшается от ширины Δ поперечного зазора 5 до ширины остаточного Δ между торцевыми поверхностями кольцевых сердечников, то есть в сотни раз. В то же время площадь воздушного зазора в магнитной цепи возрастает от площади поперечного сечения кольцевых сердечников до площади их торцевой поверхности. Оба этих фактора пропорционально снижают магнитное сопротивление магнитопровода и увеличивают индуктивность вторичной обмотки.
Чувствительность индуктивности вторичной обмотки трансформатора к неточности установки значения взаимного угла поворота кольцевых сердечников в рабочее положение зависит от значения взаимного угла. В области указанных его оптимальных значений этого угла она невысока и вполне допустимой является неточность установки его до 10 град.
Каркас 3 может быть выполнен сборным, например, состоящим из двух одинаковых частей с радиальным сечением П-образной формы. Кольцевые сердечники 2 и 3 магнитопровода выполняются с близкими или равными площадями радиальных сечений, а их форма выбирается из условия обеспечения максимальной площади смыкания торцевых частей.
Кольцевые сердечники магнитопровода могут иметь не только с прямоугольную форму радиального сечения, как это показано на фиг.2, но и другую, например овальную или полукруглую, показанную на фиг.3. Соответственно, каркас 3 имеет трубчатою форму и собирается из двух одинаковых частей с радиальным сечением С-образной формы. Такая форма ближе к оптимальной как по соотношению площади поверхности смыкания кольцевых сердечников магнитопровода и площади их поперечного сечения, так и по значению активного сопротивления вторичной обмотки из-за меньшей длины провода.
Средством поворота кольцевых сердечников 1 и 2 магнитопровода друг относительно друг друга в примере выполнения устройства по фиг.1 служит рифление 7 их боковой поверхности, позволяющее рукой или ручным инструментом приводить ТТ в рабочее положение при установке ТТ на токонесущий провод 6, и, при необходимости, демонтировать. При этом для доступа к боковой поверхности кольцевых сердечников в исходном состоянии радиальные зазоры каркаса 3 и располагаемая на нем обмотка 4 с внешней наружной стороны выполняются большей величины, чем радиальные зазоры кольцевых сердечников магнитопровода.
Пример выполнения трансформатора тока по второму варианту показан на фиг.4. Его магнитопровод состоит из подвижного кольцевого сердечника 1 прямоугольной формы и из неподвижного полого кольцевого сердечника 2, форма внутренней полости которого повторяет форму подвижного сердечника 1. На неподвижный кольцевой сердечник 2 намотана вторичная обмотка 4. Подвижный 1 и неподвижный 2 кольцевые сердечники магнитопровода выполнены с радиальным зазором 5, ширина которого обеспечивает прохождение токонесущего провода цепи 6, образующего первичную обмотку ТТ.
Для поворота подвижного кольцевого сердечника 1 магнитопровода в примере выполнения устройства по фиг.4 используется гибкая лента 8, прикрепленная к части его внешней боковой поверхности. Оба конца ленты 8 выведены наружу через воздушный зазор 5 на суммарную длину, не меньшую длины дуги поворота подвижного кольцевого сердечника 1 на оптимальный угол. Концы ленты, чтобы они не мешали при установке ТТ на провод с измеряемым током, а также в рабочем положении, прикрепляются к наружной поверхности ТТ, например, с помощью ворсяной застежки 9.
Трансформатор тока по второму варианту его выполнения работает следующим образом.
Внутренние размеры полого кольцевого сердечника 2 выполнены с положительным допуском относительно размеров подвижного кольцевого сердечника 1 и обеспечивают возможность поворота последнего вокруг общей оси сердечников. В исходном состоянии перед подключением к токоведущему проводу подвижный кольцевой сердечник 1 устанавливают относительно неподвижного кольцевого сердечника 2 в положение, при котором их радиальные зазоры совмещены друг с другом. Через этот общий радиальный зазор 5 токоведущий провод 6 цепи с измеряемым током вводится в окно трансформатора тока и образует его первичную обмотку. Для приведения трансформатора в рабочее положение кольцевой сердечник 1 путем вытягивания короткого конца ленты 8 поворачивают относительно неподвижного сердечника 2 вокруг их общей оси на часть полного оборота, причем оптимальным является положение, когда зазоры кольцевых сердечников равноудалены друг от друга по периметру (окружности) магнитопровода. Для описываемой конструкции с одним неподвижным кольцевым сердечником оптимальным значением угла поворота является 180°.
При переходе от исходного положения к рабочему радиальный зазор каждого из кольцевых сердечников магнитопровода перекрестно шунтируется (т.е. перекрывается) другим сердечником, за счет чего ширина Δ воздушного радиального зазора 5 в магнитопроводе уменьшается до остаточного Δо между плоскими поверхностями торцевой части подвижного кольцевого сердечника 1 и дном внутренней полости неподвижного кольцевого сердечника 2. В то же время площадь воздушного зазора в магнитной цепи возрастает от площади поперечного (радиального) сечения кольцевых сердечников до площади их смыкаемых поверхностей. В рассматриваемом примере это, по меньшей мере, площадь торцевой поверхности подвижного кольцевого сердечника 1. Кроме того, в уменьшении магнитного сопротивления участвуют и три другие сопрягаемые поверхности подвижного 1 и неподвижного 2 кольцевых сердечников, хотя и с большей величиной остаточных воздушных зазоров, необходимых для обеспечения подвижности кольцевого сердечника 1. В целом, указанные факторы в сотни раз снижают магнитное сопротивление магнитопровода в рабочем положении по отношению к исходному и, соответственно, увеличивают индуктивность вторичной обмотки.
Неподвижный кольцевой сердечник 2 может быть выполнен сборным, например, состоящим из двух одинаковых частей с поперечным сечением П-образной формы, что показано на фиг 5. Кольцевые сердечники 1 и 2 магнитопровода выполняются с близкими или равными площадями радиальных сечений, а их формы должны обеспечивать по меньшей мере одну плоскую поверхность смыкания, что достигается, например, при прямоугольной форме поперечного сечения подвижного кольцевого сердечника. При этом наружная форма поперечного сечения неподвижного кольцевого сердечника 2 может быть как прямоугольной (см. фиг 5), так и закругленной, как это показано на фиг.6.
Второй вариант трансформатора тока так, же как и первый, может выполняться не только с одним, но и с двумя и более подвижными кольцевыми сердечниками.
Пример выполнения первого варианта предлагаемого трансформатора тока с окном в каркасе показан на фиг.7. Он содержит магнитопровод, состоящий из двух одинаковых кольцевых сердечников 1 и 2, и жесткий каркас 3, на который намотана вторичная обмотка 4. Кольцевые сердечники 1 и 2 и каркас 3 выполнены с радиальными зазорами 5, ширина которых обеспечивает прохождение токонесущего провода 6, образующего первичную обмотку, а внешняя боковая поверхность кольцевых сердечников 1 и 2 выполнена с рифлением 7. В кольцевом каркасе 3 выполнено окно 10, обеспечивающее доступ к внешней боковой поверхности сердечников магнитопровода со стороны, противоположной радиальному зазору 5.
Особенность применения исполнения трансформатора тока по фиг.7 при приведении его в рабочее положение после охвата токонесущего провода 6 или при снятии с него состоит в том, что поворот кольцевых сердечников производится через окно 10 рукой или ручным инструментом, причем возможность приложения вращающей тангенциальной силы обеспечивает рифление 7.
Трансформаторы тока обоих вариантов выполнения могут выполняться с формой радиального сечения кольцевых сердечников магнитопровода отличной от прямоугольной или круглой. Для достижения наименьшего значения эквивалентного зазора между кольцевыми сердечниками магнитопровода в рабочем положении и, соответственно, получения большего значения индуктивности вторичной обмотки, целесообразно, чтобы они соприкасались друг с другом плоскими поверхностями, что, в отличие от других возможных форм, наиболее просто обеспечивает наименьшее значение ширины Δо остаточного зазора - на уровне шероховатости по всей площади соприкосновения сердечников.
Преимущества предлагаемого технического решения в сравнении с известными трансформаторами тока с разъемным магнитопроводом, применяемыми, например, в токоизмерительных клещах Дитца и использующими смыкание двух полукольцевых сердечников, видны из выражения, описывающего значение индуктивности вторичной обмотки в рабочем положении:
<mrow><mi>L</mi><mi>м</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>W</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><mi>о</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>/</mo><mi>S</mi><mi>п</mi><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>μ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: S - площадь поперечного сечения магнитопроводов, Sп - площадь поверхности смыкания сердечников магнитопровода в рабочем положении.
ср
Во-первых, как видно из сравнения формул (3) и (4), в предлагаемой конструкции площадь остаточного зазора между сердечниками магнитопровода в рабочем положении превышает площадь радиального сечения магнитопровода в Sп/S раз. Для двух сердечников прямоугольного или полукруглого сечения это соотношение может быть не менее 10, а при выполнении по второму варианту и более того - за счет большей эквивалентной площади смыкания кольцевых сердечников в магнитопроводе. Как следует из выражения (4), в случае преобладающего влияния на величину индуктивности вторичной обмотки остаточного зазора между кольцевыми сердечниками в их рабочем положении (при Δ<l/µ), увеличение площади зазора Sп пропорционально снижает его влияние на величину магнитного сопротивления магнитопровода.
Во-вторых, у предлагаемой конструкции достигается меньшее значение ширины Δо остаточного зазора в рабочем положении и обеспечивается его стабильность при переустановке трансформатора на другие цепи тока. Смыкание кольцевых сердечников происходит по их торцевым поверхностям, плоскостность которых обеспечивается технологически просто, а параллельности не препятствуют какие-либо конструктивные ограничения в силу отсутствия жесткого взаимного соединения. Поэтому ширина Δо остаточного зазора может находиться на уровне шероховатости плоских торцевых поверхностей кольцевых сердечников по всей площади их смыкания. Этот параметр нормируется изготовителями, например, у серийно выпускаемых ферритовых сердечников на уровне 1 мкм, а при специальной полировке - до 0,1 мкм.
В-третьих, предлагаемая конструкция трансформатора тока обеспечивает большую стабильность ширины остаточного воздушного зазора в рабочем положении в силу лучшей защищенности от попадания грязи и пыли на смыкаемые поверхности кольцевых сердечников магнитопровода. Объясняется это изолированностью большей части смыкаемых поверхностей от внешней среды, а также использованием для приведения трансформатора тока в рабочее положение сдвигового скользящего движения кольцевых сердечников относительно друг друга, при котором частицы грязи и пыли, попавшие из внешней среды на открытую поверхность подвижного кольцевого сердечника, превышающие размером ширину остаточного зазора, счищаются и остаются в области радиального зазора неподвижного кольцевого сердечника. Кроме того, конструкция позволяет применить и дополнительные меры очистки поверхности подвижного кольцевого сердечника.
ср
5
В-четвертых, действие перечисленных выше факторов, обеспечивающих снижение эквивалентного (с учетом его площади) остаточного зазора между кольцевыми сердечниками в рабочем состоянии, делает возможным и целесообразным применять для выполнения магнитопровода материалы с высокой магнитной проницаемостью в широком диапазоне изменения напряженности магнитного поля (измеряемого тока) и низкими потерями на перемагничивание. При этом пропорционально увеличению магнитной проницаемости материала магнитопровода уменьшается часть тока первичной обмотки, затрачиваемая на его намагничивание и не трансформируемая во вторичную обмотку, и, соответственно, уменьшается погрешность в широком диапазоне изменения измеряемого тока. При ширине остаточного зазора между кольцевыми сердечниками на уровне 1 мкм и длине их средней силовой линии l более 0,1 м могут эффективно использоваться материалы с относительной магнитной проницаемостью µ=10 и более. Это преимущество предлагаемого ТТ подкрепляется возможностью изготовления магнитопровода из хрупких магнитных материалов, обеспечивающих перечисленные выше свойства, например, на основе порошков (ферриты) или аморфных нанокристаллических сплавов, в то время, как в известных конструкциях с разъемным магнитопроводом это не является возможным из-за механических напряжений как на этапе изготовления, так и в самой конструкции - в оси вращения, связывающей концевые части кольцевых сердечников.
В предлагаемом трансформаторе тока нет никаких ограничений для применения других известных решений по снижению погрешностей, в частности компенсации нагрузки (сопротивлений вторичной обмотки и цепи нагрузки) активной цепью с отрицательным сопротивлением.
-3
Таким образом, технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности измерения переменного тока без разрыва токонесущего провода электрической цепи. Указанный технический результат достигается за счет увеличения индуктивности вторичной обмотки, что обусловлено уменьшением ширины остаточного воздушного зазора между кольцевыми сердечниками в рабочем положении, увеличением его площади, а также за счет возможности изготовления кольцевых сердечников магнитопровода из магнитных материалов, имеющих большую относительной магнитную проницаемость, в том числе и начальную, но не выдерживающих больших механических нагрузок как при их изготовлении сердечников, так и в конструкциях известных трансформаторов. Все указанные факторы позволяют снизить амплитудную и угловую погрешности разъемного ТТ до уровня погрешности трансформаторов тока, не имеющих зазоров в магнитопроводе. То есть, в сочетании с известной и используемой в обеих разновидностях ТТ компенсацией сопротивления нагрузки ТТ с помощью активной электрической цепи с отрицательным сопротивлением возможно снижение угловой погрешности до уровня 10 град.
Приведение в рабочее положение предлагаемого трансформатора тока в обоих вариантах его выполнения производится поворотом кольцевых сердечников магнитопровода относительно друг друга вокруг их общей геометрической оси. При этом достигаемый технический результат (уровень погрешности трансформатора тока) не зависит от того, какими средствами выполняется поворот кольцевых сердечников.
Вариантов выполнения средства для приведения подвижных кольцевых сердечников магнитопровода в рабочее положение может быть много и их реализация зависит от многих факторов: количества подвижных кольцевых сердечников магнитопровода, обеспечиваемого при этом сервиса, от выбранного способа доступа к подвижным кольцевым сердечникам - либо со стороны общего радиального зазора, либо со стороны окна в каркасе или полом кольцевом сердечнике.
В простейшем случае, если трансформатор тока не предназначен для многократной переустановки, он может быть приведен в рабочее положение без каких-либо дополнительных приспособлений, как это показано для первого варианта устройства на фиг.1 и на фиг.7. Поворот подвижного кольцевого сердечника магнитопровода может быть произведен и вручную - усилием, прилагаемым по касательной к подвижному кольцевому сердечнику 2 со стороны поперечного зазора 5 на фиг.1 или со стороны окна 10 в каркасе 3 на фиг.7. Внешняя наружная поверхность подвижного кольцевого сердечника, по крайней мере, на угол его поворота может выполняться с повышенным сцеплением с используемым для вращения ручным инструментом или рукой человека, например с рифлением или покрытием или наклеенной перфорированной лентой. Целесообразно наличие метки или фиксатора (ограничителя) оптимального положения кольцевых сердечников в рабочем состоянии.
Кроме того, в некоторых условиях применения возможно использование самоустановки кольцевых сердечников в рабочее положение - с помощью электромагнитной силы, действующей на сердечники магнитопровода и создаваемой током первичной обмотки. Эта сила действует в сторону взаимного положения кольцевых сердечников, соответствующего минимальному магнитному сопротивлению магнитопровода и, соответственно, максимальному значению индуктивности вторичной обмотки.
Поворот кольцевых сердечников магнитопровода как вручную, так и с помощью специальных механизмов поворота возможен с использованием гибкой ленты 7, охватывающей кольцевой сердечник с внешней стороны и прикрепленной к части внешней поверхности подвижного кольцевого сердечника, концы которой выведены наружу через радиальный зазор 5, как показано на примере реализации второго варианта предлагаемого трансформатора тока на фиг.4. Лента может быть применена для поворота кольцевых сердечников магнитопровода и со стороны окна в каркасе 3 в первом варианте предлагаемого трансформатора тока (см. фиг.7) или со стороны окна в полом кольцевого кольцевом сердечнике в его втором варианте. При этом первые концы ленты крепятся к внешней поверхности подвижного кольцевого сердечника 1 вблизи полюсов радиального зазора 5, а вторые концы или ее средняя часть ленты в форме кольца выпускаются через окно 10 каркаса 3. Вместо ленты, используемой для поворота кольцевых сердечников, может быть использовано и другое средство, например шнур круглого или другого поперечного сечения, причем в этом случае на внешней наружной поверхности подвижного кольцевого сердечника для шнура целесообразно выполнение специальной канавки.
Лента, используемая для поворота кольцевых сердечников, может быть выполнена из магнитного материала, например пермаллоя. В первом варианте выполнения трансформатора тока лента шунтирует воздушный зазор подвижного магнитопровода и эффект уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода заметен в области малых значений измеряемого тока. Во втором варианте выполнения трансформатора тока эффект выполнения ленты из магнитного материала, кроме названного, заключается в уменьшении зазора между боковыми поверхностями подвижного 1 и неподвижного 2 кольцевых сердечников и проявляется он во всем диапазоне измеряемых токов.
Для приложений, связанных с частым кратковременным подключением трансформатора тока к токонесущему проводу с измеряемым током и последующим отключением, для поворота кольцевых сердечников могут использоваться различные варианты механизмов поворота, позволяющие выполнять эти операции с тем же удобством, что и широко распространенные токовые клещи Дитца.
На фиг.8, а и 8, б показан пример выполнения трансформатора тока по второму варианту, в котором для поворота подвижного кольцевого сердечника магнитопровода в рабочее положение используется механизм поворота с гибкой лентой. Магнитопровод трансформатора тока состоит из подвижного кольцевого сердечника 1 с поперечным сечением прямоугольной формы и из неподвижного полого кольцевого сердечника 2, на котором расположена вторичная обмотка 4. В поперечный зазор 5 сердечников вводится токонесущий, провод с измеряемым током (на фиг.8, а и 8, б не показан), образующий первичную обмотку ТТ. К внешней (боковой) поверхности подвижного кольцевого сердечника 1 прикреплена тонкая гибкая лента 7, например лавсановая, концы которой выведены наружу через радиальный зазор неподвижного кольцевого сердечника 2.
Трансформатор тока расположен в пластмассовом корпусе-контейнере, состоящем из симметричных между собой основания 11 и крышки 12 и выполненном с зазором, совпадающим с зазорами 5 сердечников 1 и 2 в их исходном состоянии.
Лента 7 огибает цилиндрические направляющие 13, ограничивающие радиус ее изгиба и снижающие трение, заправлена внутрь контейнера в виде кольца, замкнутого вокруг внешней стороны вторичной обмотки 4, и зажата между приводным 14 и прижимным 15 роликами.
Боковая грань приводного ролика 14 выступает в окне привода 16, что позволяет пользователю, прокручивая приводной ролик 14, передавать вращающее усилие через зажатую между ним и прижимным роликом 15 ленту 7 для поворота подвижного сердечника 1. Выводы вторичной обмотки 4 выведены на двухполюсное гнездо 17, служащее для подключения полезной нагрузки, например измерительного прибора или схемы.
Трансформатор тока с механизмом поворота с использованием ленты работает следующим образом. В исходном состоянии перед подключением к токоведущему проводу подвижный кольцевой сердечник 1 устанавливается относительно неподвижного кольцевого сердечника 2 в положение, когда их радиальные зазоры 5 совмещены друг с другом. Через этот общий радиальный зазор 5 токоведущий провод 6 цепи с измеряемым током (на фиг.8 не показан) вводится в окно трансформатора тока и образует его первичную обмотку. Трансформатор тока приводится в рабочее положение поворотом приводного ролика 14, который через ленту 7 передает вращающее усилие подвижному кольцевому сердечнику 1. Кольцевой сердечник 1 поворачивают относительно неподвижного сердечника 2 вокруг их общей оси на часть полного оборота, причем оптимальным является положение, когда радиальные зазоры кольцевых сердечников равноудалены друг от друга по периметру (окружности) магнитопровода. Для описываемой конструкции с одним подвижным кольцевым сердечником оптимальным значением угла поворота является 180°.
Двухполюсное гнездо 17, к которому подключены выводы вторичной обмотки 4, выполняют с нормально замкнутыми до подключения внешней нагрузки контактами. Это предотвращает насыщение магнитопровода и появление на вторичной обмотке опасного высокого напряжения, а также уменьшает электромагнитные силы, действующие на кольцевые сердечники магнитопровода при установке и снятии трансформатора тока на проводник с протекающим в нем током.
Описанный механизм поворота подвижного кольцевого сердечника магнитопровода или ему аналогичный может быть снабжен средством фиксации ТТ на проводе с измеряемым током и центрирования последнего в окне магнитопровода, выполненным, например, в виде пружинной прищепки.
Механизм поворота подвижного кольцевого сердечника магнитопровода с использованием ленты, аналогичный показанному на фиг.8, а и 8, б, может также применен и с первым вариантом выполнения трансформатором тока по фиг.1.
Аналогичные механизмы поворота, использующие ленту, скрепленную с подвижным кольцевым сердечником и охватывающую с его внешней стороны, могут быть применены и с трансформатором тока, у которых доступ к кольцевым сердечникам магнитопровода обеспечен через окно каркаса (для первого варианта трансформатора) или через окно полого кольцевого сердечника (для второго варианта трансформатора). Такое исполнение позволяет применять механизмы, создающие вращающий момент для поворота подвижного кольцевого сердечника за счет сцепления с внешней поверхностью кольцевого сердечника.
Пример реализации механизма поворота, использующего фрикционный принцип с трансформатором тока по первому варианту его выполнения, показан на фиг.9, а и 9, б. Он содержит элементы трансформатора тока, указанные на фиг.7: магнитопровод, состоящий из двух одинаковых кольцевых сердечников 1 и 2, и жесткий каркас 3, на который намотана вторичная обмотка 4. Кольцевые сердечники 1 и 2 и каркас 3 выполнены с радиальными воздушными зазорами 5, ширина которых обеспечивает прохождение токонесущего провода с измеряемым током (на фиг.9 не показан), образующего первичную обмотку.
Средством для поворота кольцевых сердечников магнитопровода относительно друг друга служит фрикционный механизм, использующий окно 10 в каркасе 3. Поворотный механизм содержит вал 18 с насаженным на него фрикционным роликом 19, кронштейн 20 и эластичный бандаж 21.
Вал 18 вместе с фрикционным роликом 19 имеют возможность смещения в осевом направлении на высоту одного кольцевого сердечника. Эластичный бандаж 21 прижимает кронштейн 20 вместе с валом 18 с насаженным на него фрикционным роликом 19 к внешней боковой поверхности одного из кольцевых сердечников (верхнего на фиг.9) в окне 10 каркаса 3. Вращением вала 18 в его крайнем верхнем положении осуществляется поворот в рабочее положение верхнего кольцевого сердечника 2. Эластичный бандаж 21 позволяет отжать кронштейн 20 вместе с валом 18 и насаженным на нем фрикционным роликом 19 в сторону от кольцевого сердечника 2, перевести вал 18 в другое крайнее (нижнее) положение, прижать фрикционный ролик 19 к внешней боковой поверхности нижнего кольцевого сердечника 1, после чего выполнить его поворот. В среднем положении вала 18 фрикционный ролик 19 позволяет фиксировать положение кольцевых сердечников 1 и 2.
Для обеспечения работоспособности при приложении большего вращающего усилия внешняя боковая поверхность подвижных кольцевых сердечников может быть специально подготовлена, например, рифлением, нанесением покрытия или наклейкой лент, увеличивающих сцепление с роликом привода. Целесообразно наличие метки или фиксатора (ограничения) оптимального положения кольцевых сердечников в рабочем состоянии.
Близкий по реализации механизм поворота кольцевого сердечника магнитопровода может быть выполнен с использованием червячной передачи. При этом зубчатым колесом служит подвижный кольцевой сердечник, для чего его внешняя боковая поверхность выполняется с периодической структурой, соответствующей шагу винта червячной передачи. Это могут быть, например, рифление или наклеенная перфорированная лента.
Пример реализации червячного механизма поворота показан на фиг.10,а и 10,6 для трансформатора тока второго варианта выполнения. Трансформатор тока состоит из подвижного кольцевого сердечника 1 с прямоугольной формой поперечного сечения, вставленного внутрь полого кольцевого сердечника 2, составленного из двух одинаковых частей с поперечным сечением П-образной формы, на который намотана вторичная обмотка 4. Кольцевые сердечники 1 и 2 выполнены с радиальными воздушными зазорами 5, ширина которых обеспечивает прохождение токонесущего провода с измеряемым током (на фиг.10 не показан), образующего первичную обмотку. Полый кольцевой сердечник 2 выполнен со сквозным окном 10 на внешней боковой стенке, со стороны, диаметрально противоположной его радиальному зазору 5. При этом витки вторичной обмотки 4 не охватывают эту наружную часть магнитопровода, оставляя свободным доступ к подвижному кольцевому сердечнику 1.
Средством для поворота кольцевых сердечников магнитопровода относительно друг друга служит червячный поворотный механизм, использующий окно 10 в полом кольцевом сердечнике 2. Поворотный механизм содержит кронштейн 20, эластичный бандаж 21 и винт 22. Внешняя боковая поверхность подвижного кольцевого сердечника 1 выполнена рифленой, аналогично рифлению 7 кольцевых сердечников 1 и 2, показанному на фиг.7, с шагом, соответствующим шагу винта 22.
Эластичный бандаж 21 прижимает винт 22 к внешней боковой поверхности подвижного кольцевого сердечника 1 в окне 10 каркаса 3. Вращением винта 22 осуществляется поворот кольцевого сердечника 1 и его фиксация в рабочем положении.
Описанные реализации трансформатора тока с фрикционным и червячным механизмами поворота кольцевых сердечников магнитопровода предполагаются, преимущественно, для стационарного применения. На их основе также могут быть выполнены трансформаторы тока для мобильных приложений, связанных с частым кратковременным подключением к токонесущему проводу для измерения тока и мощности.
ср
ср
Экспериментально проверены ТТ, выполненные по первому варианту с магнитопроводом из двух одинаковых кольцевых ферритовых сердечников квадратного поперечного сечения и радиальным зазором, ширина которого в исходном состоянии составила 12% от l - средней длины магнитной силовой линии. Для поворота кольцевых сердечников использовались лавсановая лента и фрикционный механизм. Примененные при проверке кольцевые сердечники не были оптимальными по форме поперечного сечения (предпочтительней прямоугольная с высотой 0,7 от радиальной ширины), тем не менее, значение индуктивности вторичной обмотки в рабочем положении практически совпало (отличие не более, чем 5%) с индуктивностью обмотки с тем же количеством витков на магнитопроводе из одного такого же сердечника без воздушного зазора. Разброс значений индуктивности вторичной обмотки ТТ при многократном переводе кольцевых сердечников из исходного состояния в рабочее не превысил 3% (не следует путать этот параметр с погрешностью ТТ). То есть, испытанные трансформаторы тока на двух сердечниках с радиальным зазором шириной 0,12*l эквивалентны трансформатору на одном сердечнике без воздушного зазора по значению индуктивности вторичной обмотки и, соответственно, по значению погрешности, включая и угловую составляющую.
В силу приведенных выше преимуществ предлагаемая конструкция ТТ будет полезна, как минимум, в следующих применениях:
- в однократно устанавливаемых стационарных измерительных трансформаторах тока электроустановок, в том числе высоковольтных, в случаях, когда разрыв токонесущего провода не возможен или не желателен;
- в стационарных приборах контроля и учета электропотребления, когда их установка без разрыва токонесущего провода не возможна или не желательна по экономическим соображениям;
- в портативных измерительных приборах для оперативных измерений, аналогичных токоизмерительным клещам, с повышенными требованиями к точности измерений, в частности мощности и энергии переменного тока. Конструктивно это могут быть либо выносные датчики тока, либо они могут совмещаться с измерительной частью;
- для измерения малых переменных токов, когда другие средства измерения без разрыва токонесущего провода не имеют достаточной чувствительности. Например, при измерении разностного тока, протекающего по нескольким близко расположенным проводникам: тока утечки в двухпроводной однофазной сети или тока нулевой последовательности трехфазных цепей, в том числе кабельных линий. Для указанного применения при изготовлении сердечников магнитопровода предпочтительно применять магнитные материалы с линейной кривой намагничивания, например аморфные нанокристаллические сплавы.
Кроме измерительных целей предлагаемый трансформатор тока может быть применен для отбора мощности от токовой электрической цепи без ее разрыва, например в качестве источника питания различных устройств, в том числе расположенных под потенциалом высоковольтного токонесущего провода. Например, питания электронной части датчиков тока (активных измерительных трансформаторов тока), который также может быть выполнен на основе предлагаемого трансформатора тока. Выходная мощность такого трансформатора питания в рабочем положении будет не менее мощности трансформатора без воздушного зазора в магнитопроводе, площадь поперечного сечения которого меньше суммарной площади поперечного сечения сердечников магнитопровода на площадь одного сердечника. То есть, максимальная мощность его нагрузки будет не менее 50% - при двух сердечниках, и 67% - при трех сердечниках, от габаритной мощности трансформатора без воздушного зазора с таким же суммарным поперечным сечением сердечников магнитопровода.