Катушка Роговского для измерения больших токов в устройствах защиты и автоматики

УДК 621.31

Г.Е. Кувшинов, О.С. Михайленко

КУВШИНОВ Геннадий Евграфович - доктор технических наук, профессор кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), МИХАЙЛЕНКО Олег Сергеевич, аспирант кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: kuvsh@marine.febras.ru

© Кувшинов Г.Е., Михайленко О.С., 2012

Катушка Роговского для измерения больших токов в устройствах защиты и автоматики

Показываются особенности конструкции катушки Роговского, которая прилегает к шине с измеряемым большим током. Описываются массогабаритные преимущества такой катушки, которые достигаются при низком напряжении сети с измеряемым током, при условии экранирования катушки от мешающих магнитных полей.

Ключевые слова: измерение тока, дифференцирующий преобразователь, квадратный соленоид.

The Rogovski coil for measurement of high currents in protection and automatic equipment devices. Gennadij E. Kuvshinov, Oleg S. Mikhaylenko - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok). This paper presents the design features of Rogowski coil, which is adjoin to the bus with the measured high current. Describes the size and weight advantages of such a coil, which is achieved at low voltage network with the measured current, provided the screening coil from interfering magnetic fields. Key words: current measurement, differentiating transducer, square solenoid.

В последнее время в устройствах защиты и автоматики происходит нарастающий процесс замены трансформаторов тока (ТТ) дифференцирующими индукционными преобразователями тока (ДИПТ), которые чаще называют катушками Роговского. Наводящаяся в такой катушке ЭДС пропорциональна производной потокосцепления ее витков с магнитным полем, создаваемым измеряемым током. Важным преимуществом перед ТТ является во много раз меньшая масса [3], кроме того, они обладают линейной хактеристикой намагничивания. У ТТ, перешедшего в режим насыщения, резко снижается точность, а из-за разной степени насыщения ТТ, измеряющих один и тот же ток, как это имеет место в дифференциальных защитах, происходят ложные срабатывания защиты. Первые попытки применения ДИПТ, не имеющих магнитного сердечника, вместо ТТ предпринимались более полувека назад [1]. Затем эпизодически возникал интерес к ДИПТ, которые имеют разомкнутый магнитный сердечник и известны под названием магнитные трансформаторы тока [4]. Широкому распространению ДИПТ в устройствах защиты и автоматики тогда мешало несовершенство конструкции ДИПТ, что проявлялось в высоком уровне помех, которые наводились в их катушках (обмотках) под действием сторонних, мешающих токов.

В докладе показывается целесообразность использования ДИПТ предлагаемой конструкции, обеспечивающей достижение минимума массы катушки ДИПТ.

В последнее десятилетие прошлого века были созданы новые ДИПТ, вошедшие в практику измерения переменного тока под названием катушек Роговского. Эти гибкие катушки защищены от действия мешающих магнитных полей. В их конструкции предусмотрен обратный провод, проходящий внутри катушки. Наводящаяся в нем ЭДС помехи практически такая же по абсолютной величине, но противоположна по направлению ЭДС, которая наводится в самой катушке, как в одном витке, совпадающем с осью катушки [5]. Эти ЭДС уравновешивают друг друга.

В последнее десятилетие появились катушки Роговского с отпечатанными обмотками. В таких катушках используют два способа для устранения помех от магнитных потоков, проходящих через окно такой катушки. Первый способ предусматривает применение в конструкции двух печатных обмоток, у которых полезные ЭДС, наводимые потоками от измеряемого тока, складываются, а мешающие ЭДС двух этих катушек - вычитаются. Второй способ предусматривает размещение сразу двух плат с отпечатанными обмотками, соединенных так, чтобы ЭДС, наводимые проходящими внутри витков потоками от измеряемого тока, складывались, а ЭДС, наводимые мешающими потоками, проходящими через окна катушек, вычитались.

Их недостаток заключается в том, что из-за небольшой толщины печатной платы форма витка такова, что один из его размеров очень мал, а для обеспечения требуемого значения взаимной индукции другой его размер должен быть очень большим.

Если проводник достаточно хорошо защищен от воздействия помех (проводник с измеряемым током находится внутри щита или какого-либо другого металлического корпуса, причем рядом с этим проводником отсутствуют проводники с другими токами), можно использовать компактную катушку из обмоточного провода без магнитного сердечника. Такая катушка имеет наиболее простую конструкцию и наименьшую массу и предназначена для измерения больших токов от нескольких сотен до нескольких тысяч ампер. Она устанавливается непосредственно на токопроводе с измеряемым током, без охвата его, как показано на рисунке [2]. Здесь токопроводом является шина, которая отделяется от катушки тонкой изоляционной прокладкой. Пробой изоляции между шиной и проводом катушки недопустим. Поэтому показанная конструкция ДИПТ может применяться при низких напряжениях токопровода до 1 кВ или несколько выше.

Целесообразно определить такую оптимальную форму витка катушки, когда достигается минимум длины провода, из которого наматывается катушка. Нами разработана методика расчета такой катушки [4]. Оптимальная форма витка достигается при использованиии соленоида квадратного сечения.

Ниже приводятся результаты расчета катушки, показанной на рисунке, чтобы можно было сравнить полученные параметры с данными, относящимися к трансформаторам тока, с аналогичными значениями первичного тока и напряжения вторичной обмотки. Для примера рассчитана катушка с следующими рабочими параметрами: ЭДС при номинальном токе 5 В, номинальный измеряемый ток 500 А с частотой 50 Гц, значение тока вторичной обмотки 0,02 А.

Получена катушка - квадратный соленоид высотой а = 60 мм со сторонами с = I = 90 мм. Катушка наматывается в два слоя по 485 витков. Диаметр обмоточного провода 0,08 мм с максимальным наружным диаметром изолированного провода 0,104 мм. Масса меди обмоточного провода 15,6 г, полное сопротивление катушки 1200 Ом. Масса катушки с каркасом, на который она намотана, не превосходит 0,1 кг.

з

Конструкция ДИПТ с прямоугольным сердечником без магнитопровода:

1 - прокладка из изоляционного материала; 2 - шина с измеряемым током; 3 - катушка ДИПТ - прямоугольный соленоид, а - ширина шины и длина соленоида, Ь - толщина шины, с и I - стороны прямоугольника, лежащего в основании соленоида, 3 - расстояние между плоскостью симметрии шины и прилегающей к ней плоскостью соленоида со сторонами а и I

Таким образом, мы получили катушку, обеспечивающую заданные выходные параметры, с малой массой для применения в сетях при напряжениях до 1 кВ. Самый легкий из трансформаторов тока с номинальным напряжением сети 0,66 кВ типа ТНШ-0,66 кВ, который выпускается с номинальными значениями первичных токов от 300 до 1500 А, имеет массу 2,7 кг, что почти в 30 раз больше, чем у рассчитанной катушки. Огромное преимущество предлагаемой катушки очевидно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атабеков Г.И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1957. 344 с.

2. Белов А. Г., Кувшинов Г.Е. Определение оптимальной формы витка катушки трансреактора // Изв. вузов. Электромеханика. 1997. № 3. С. 36-38.

3. Кожович Л.А., Бишоп М.Т. Современная релейная защита с датчиками тока на базе катушки Роговского // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Москва, 7-10 сент. 2009. М.: Науч.-инженер. информ. агентство, 2009. С. 39-48.

4. Кувшинов Г.Е., Михайленко О.С. Дифференцирующие измерительные преобразователи тока для измерения больших токов в сетях с напряжением до 1 кВ // Электрика. 2011. № 9. С. 3-7.

5. Ward D.A., Exon J. La T. Using Rogowsky coils for transient current measurements // Engineering science and education journal. 1993. June. P. 105-113.