УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА Российский патент 2003 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения переменных токов высокого уровня.

Известен измерительный шунт, содержащий коаксиальные металлические цилиндры, соединенные на одном конце, два токовых вывода на другом конце, два потенциальных вывода и проволочную отпайку [1]. Внутренний цилиндр выполнен из стержней, каждый из которых выполнен из изолированных пакетов металлических лент с высоким удельным сопротивлением и скручен на 180^o вокруг оси. Отпайка расположена между лентами одного из пакетов и изогнута внутри цилиндров.

Недостатком данного устройства являются заметная динамическая погрешность, связанная с проявлением эффекта вытеснения тока во внутреннем цилиндре, и сложность изготовления устройства.

Значительно более высокое быстродействие при практически полном отсутствии проблемы термостойкости достигается в индукционном датчике тока [2], содержащем индукционный чувствительный элемент, например катушку Роговского, и интегрирующую RC-цепочку.

Недостатком такого типа датчиков являются низкая чувствительность на пониженных частотах и невозможность измерения постоянного тока.

Наиболее близким аналогом является коаксиальный шунт для измерения тока [3] , содержащий 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 тонкого материала с большим удельным сопротивлением. Падение напряжения на внутреннем цилиндре подводится к осциллографу при помощи отпайки, расположенной на оси цилиндров и соединенной с центральным электродом высокочастотного разъема, закрепленного на фланце.

Недостатком этого шунта также является динамическая погрешность. Из-за эффекта вытеснения тока во внутреннем цилиндре переходная характеристика шунта имеет вид апериодической кривой, время нарастания которой пропорционально квадрату толщины стенки внутреннего цилиндра. Это время, согласно [3] , выражается
τ = 0,237μd²/ρ,
где τ - время нарастания переходной характеристики шунта;
μ - магнитная проницаемость материала цилиндра;
d - толщина стенки цилиндра;
ρ - удельное сопротивление материала цилиндра.

Таким образом, стремление повысить термостойкость шунта и стремление увеличить его быстродействие находятся в противоречии.

Задачей изобретения является расширение полосы пропускания устройства для измерения тока и повышение его термостойкости.

Задача решается тем, что в устройстве для измерения тока, содержащем 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 внутренним электродом высокочастотного разъема, расположенного на фланце, отпайка расположена в пространстве между внутренним и внешним цилиндрами и через отверстие в боковой поверхности внутреннего цилиндра соединена с внутренним электродом высокочастотного разъема через интегрирующую RC-цепочку.

Для уменьшения влияния внешнего магнитного поля устройство содержит две идентичные параллельно включенные отпайки, расположенные симметрично относительно оси цилиндров.

Для исключения влияния на работу устройства азимутального перераспределения тока на внутреннем цилиндре отпайки могут быть выполнены в виде двух витков, охватывающих внутренний цилиндр и намотанных навстречу друг другу.

На чертеже представлена конструкция устройства для измерения тока.

Устройство содержит внешний цилиндр 1 с токоподводом 2 и внутренний цилиндр 3 с токоподводом 4. Противоположные токоподводам концы внешнего и внутреннего цилиндров соединены между собой с помощью фланцев 5 и 6. На внешней плоскости фланца 6 установлен ВЧ-разъем 7. К внутреннем электроду 8 ВЧ-разъема через резистор 11 подсоединен один из концов проволочной отпайки 12. Отпайка пропускается через отверстие в пространство между цилиндрами и припаивается другим концом к внутреннему цилиндру на некотором удалении l от отверстия.

Между внутренним электродом 8 ВЧ-разъема и внутренним цилиндром на круглой диэлектрической шайбе 9 установлены несколько параллельно соединенных конденсаторов 10. Одни выводы конденсаторов 10 соединены с внутренним электродом 8 ВЧ-разъема, а другие - с внутренним цилиндром 3.

В реальной конструкции устройства используются две идентичные отпайки, располагаемые симметрично относительно оси цилиндров и подсоединяемые к ВЧ-разъему параллельно. Это сделано для того, чтобы избежать появление помехи за счет внешнего переменного магнитного поля. В случае, когда ток во внутреннем цилиндре имеет азимутальное перераспределение, отпайки выполняются в виде двух витков, охватывающих внутренний цилиндр и намотанных навстречу друг другу.

Отпайки изолированы от цилиндров на всем протяжении от места соединения их с внутренним цилиндром до ВЧ-разъема. Внутренний цилиндр 3, являющийся калиброванным сопротивлением, выполнен толстостенным из хорошо проводящего материала, например из латуни.

Для измерения тока устройство токоподводами 2, 4 включается в разрыв одной из шин токовой цепи. Направление тока I в шунте показано на чертеже стрелками.

При протекании переменного тока на витке, образованном отпайкой 12 и рабочей частью внутреннего цилиндра 3, наводится напряжение
U=U_p+U_инд,
где U_p - падение напряжения на активном сопротивлении рабочего участка внутреннего цилиндра;
U_инд - индукционное напряжение, наводимое в витке переменным магнитным полем, локализованным в пространстве между цилиндрами.

Для синусоидального тока с круговой частотой ω
I = I₀e^jωt
можно записать

где I - измеряемый переменный ток;
I₀ - амплитуда тока;
j - обозначение мнимой единицы;
U - напряжение, наводимое на отпайке;
R_эф - активное сопротивление рабочего участка внутреннего цилиндра на частоте
l - длина отпайки;
μ - магнитная проницаемость материальной среды между цилиндрами;
h - ширина зазора между отпайкой и внутренним цилиндром;
r₀ - внешний радиус внутреннего цилиндра.

При воздействии этого напряжения на интегрирующую цепочку на выходе возникает напряжение полезного сигнала

где
R - сопротивление резистора интегрирующей цепочки;
С - суммарная емкость интегрирующей цепочки.

Для обеспечения наилучшей равномерности частотной характеристики должно быть соблюдено условие
L/R₀=RC,
где R₀ - активное сопротивление рабочего участка внутреннего цилиндра на постоянном токе.

При соблюдении этого условия на выходе устройства наблюдается напряжение, пропорциональное току U_c=I₀R₀ как в области низких частот так и в области высоких частот В районе частот, близких к , может наблюдаться подъем характеристики на несколько децибел.

При подсоединении устройства непосредственно к регистрирующему устройству, имеющему входное сопротивление R_вх, условия работы устройства принципиально не изменяются. Однако при расчете его чувствительности в этом случае необходимо пользоваться формулами

,
где
Таким образом, в данном устройстве индукционный всплеск напряжения используется в качестве положительного фактора. Благодаря использованию RC-цепочки эта составляющая напряжения интегрируется и превращается в сигнал, пропорциональный измеряемому току. За этим всплеском устройство действует как резистивный шунт, благодаря чему форма выходного сигнала также пропорционально отображает форму тока.

В реализованной на практике конструкции толщина внутреннего цилиндра, изготовленного из латуни, составляет 1 мм. Такая конструкция выдерживает токи до 200 кА в течение времени ~10^-4 с. Постоянная времени устройства такой конструкции составила ~5•10^-9 с.

Источники информации
1. И.В. Бабкин и И.П. Щеглов. Авторское свидетельство 1002972, МПК G 01 R 19/00, 1983, бюллетень 9.

2. Шваб А., Измерения на высоком напряжении. Пер. с нем., М.: Энергия, 1973, с.156.

3. Шваб А., Измерения на высоком напряжении. Пер. с нем., М.: Энергия, 1973, с.140-143 (прототип).

Использование: для измерения переменных токов высокого уровня. Технический результат заключается в расширении полосы пропускания устройства и повышении его термостойкости. Устройство содержит два коаксиально расположенных металлических цилиндра, которые соединены между собой на одном торце с помощью фланца, а на другом торце каждый цилиндр имеет свой токоподвод. В пространстве между внутренним и внешним цилиндрами расположена отпайка, один конец которой соединен с внутренним цилиндром. Другой конец отпайки через отверстие в боковой поверхности внутреннего цилиндра соединен с внутренним электродом высокочастотного разъема, расположенного на фланце, через интегрирующую RC-цепочку, обеспечивающую преобразование напряжения, наводимого на отпайке, в сигнал, пропорциональный измеряемому току. Для уменьшения влияния внешнего магнитного поля устройство содержит две идентичные параллельно включенные отпайки, расположенные симметрично относительно оси цилиндра. Для исключения влияния на работу устройства азимутального перераспределения тока на внутреннем цилиндре отпайки могут быть выполнены в виде двух витков, охватывающих внутренний цилиндр и намотанных навстречу друг другу. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. 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 внутренним электродом высокочастотного разъема, расположенного на фланце, отличающееся тем, что отпайка расположена в пространстве между внутренним и внешним цилиндрами и через отверстие в боковой поверхности внутреннего цилиндра соединена с внутренним электродом высокочастотного разъема через интегрирующую RC-цепочку, обеспечивающую преобразование напряжения наводимого на отпайке в сигнал пропорциональный измеряемому току. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит две идентичные параллельно включенные отпайки, расположенные симметрично относительно оси цилиндров. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отпайки выполнены в виде двух витков, охватывающих внутренний цилиндр и намотанных навстречу друг другу.