Шунт для измерения импульсного тока Советский патент 1982 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при исследованиях грозовых перенапряжений, работы высоковольтных выключателей, а также диагностики емкостных накопителей энергии.

Известен шунт для измерения импульсного тока, вьшолненный в виде токосъемного резистора, встроенного в рассечку проводника с контролируемым током и подключенного выводом к входному и внутреннему проводникам коаксиального кабеля связи с осциллографом .

Недостаток известного устройства заключается в низкой термической стойкости при измерении длительных импульсов тока с крутыми перепадами. Это объясняется тем, что для обеспечения пропорциональности напряжения на токосъемном резисторе контролируемому току толщина активной массы резистора должна выбираться в несколько раз меньшей эффективной глубины проникновения тока при прохогхдении по этой активной массе наиболее крутых перепадов в функциональной зависимости контролируемого тока от времени.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является шунт для измерения импульсного тока, содержащий токосъемный резистор, встроенный в рассечку проводника с контролируемым током и подключенный одним из выводов к внешнему проводнику коаксиального кабеля связи с осциллографом, активно-индуктивную корректирующую цепочку, включенную параллельно токосъемному резистору и сосг тоящую из последовательно соединенных катушек индуктивности и энергоотводящего резистора, контур из установленных друг за другом параллельных RC-звен-ьев, включенный мекду выходным выводом корректирукяцей цепочки и внутренним проводником упомянутого коаксиального кабеля C2J.

Недостаток указанного шунта определяется тем, что для улучшения качества воспроизведения формы импульса контролируемого тока при толщине активной массы токосъемного резистора, превыша1Х1ей эффективную глубину проникновения наиболее крутых перепадов тока, требуется значительное количество .RC-звеньев. Конденсаторы и резисторы этих звеньев имеют Некоторые последователь FIO включенные индуктивности (например индуктивности выводов и соединительных проводников , которьле не входят в состав теоретически идеализированного RC-звена, но оказываются особенно существенными при передаче кру тых перепадов контролируемого тока, по сравнительно низкоомным цепям шунта, и тем самым ограничивают верхнюю границу полосы рабочих частот. Целью изобретения является расширение полосы частот, воспроизводимых подобным шунтом путем коррекции его переходной характеристики, Поставленная цель достигается тем что в шунт для измерения импульсного тока, содержащий токосъемный резистор, встроенный в рассечку проводника с контролируемым током и подключенный одним из выводов к вНешнему проводнику коаксиального кабеля связи с осциллографом, основ ную активно-индуктивную корректирую щую цепочку, включенную параллельно токосъемному резистору и состоящую из последовательно соединенных катушки индуктивности и энергоотводящего резистора, введены установленны друг за другом дополнительные актив но-индуктивные корректирующие цепоч ки, входные выводы каждой из которы связаны с выводами энергоотводящего резистора предыдущей корректирующей цепочки, и вспомогательная катушка индуктивности, подключенная первым выводом к промежуточному отводу катушки индуктивности основной коррек тируйщей цепочки и разделенная на секции, которые частично размещены в области магнитных .полей катушек индуктивности корректирующих цепоче причем величина сопротивления энерг отводящего резистора каждой последу щей корректирующей цепочки выбрана меньшей, а толщина активной массы большей аналогичных параметров резистора предыдущей корректирующей цепочки, соответствующие выводы эне гоотводящих резисторов дополнительных корректирующих цепочек подключе ны к внешнему проводнику упомянутого коаксиального кабеля, а второй вивоД вспомцгатёльной катушки индук тнБНОсти соединен с его внутренним проводником. На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предло женного шунта для измерения импульс ного тока. В статическом состоянии ujyHT сод жит токосъемный резистор 1, встроен ный непосредственно в рассечку проводника с контролируемым током i. . Параллельно резистору 1 включена активно-индуктивная корректирующая цепочка .из- последовательно соединен ных энергоотводящих резистора 2 и к тушки 3 индуктивности. Параллель-но резистору 2 подключена еще одна цепочка из последовательно соединенных энергоотводящего резистора 4 и катушки 5 индуктивности (для npoci.. ты ограничимся только двумя корректирующими цепочками. Величины сопротивлений резисторов 1,2 и 4 выбраны по убывающему закону, а значения ТОЛ14ИНЫ их активной массы, наоборотпо возрастающему закону. К общей точке, соединения резисторов 1,2 и 4 подключен внешний проводник коаксиального кабеля 6. КаЗель предназначен для передачи сигнала к осциллографу и нагружен на конце, подключенном к осциллографу, на резистор 7 с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля. С внутренним проводником коаксиального кабеля 6 соединена одним из своих выводов вспомогательная катушка 8 индуктивности, другой вывод которой подключе к промежуточному отводу катушки 3 индуктивности, принадлежащей ближайшей к токосъемному резистору 1 корректирующей цепочке. В общем случае точку подключения катушки 8 индуктивности к катушке индуктивности 3 можно изменять. Между катушками 3 и 5 индуктивности .корректирующих цепочек шунта и секциями вспомогательной катушки 8 индуктивности создана взаимоиндуктивная связь (последняя показана на схеме линиями со стрелками на обоих концах). При этом обычно рассматривается индуктивность шунта , отражаемая на принципиальной схеме в виде индуктивности, включенной последовательно с токосъемныг резистором 1, яв- . ляется частным случаем взаимоиндуктивной связи между внутренним контуром шунта и контуром контролируемого тока. Эта связь показана в виде взаимоиндуктивной связи между катушкой 3 индуктивности и индуктивностью контура 9 контролируемого тока. Шунт для измерения импульсного тока работает следующим образом. Измеряемый то-к ig , нарастая с фронтом длительностью 1ф , проходит по токосъемному резистору 1 и создает на нем падение напряжения. Под воздействием этого падения напряжения в энергоотводящем резисторе 2 начинает нарастать ток с .постоянной времени, зависящей от величины имдуктивности катушки 3, но значительно медленнее,- чем в резисторе 1. Одновременно под влиянием падения напряжения на резисторе 2 ток в знергоотводящем резисторе 4 с фронтом сглах еннь1М индуктивностью катушки 5, нарастает еще медленнее, чем в резисторе 2. Это позволяет сделать толщи.ну активной массы резисторов 1,2 и 4

нарастающей в соответствии с уменьшением скорости нарастания тока в них. По при этом толщина резисторов 1,2 и 4 не должна превысить определенную долю расчетной глубины проникновения тока в активную массу резисторов при существующей в них скорости,нарастания тока. Увеличенная толщина активной массы резистора приводит к соответствующему увеличению допустимой величины интеграла квадрата тока, проходящего через резистор, по времени его прохождения. В результате увеличивается допустимая величина интеграла квадра та тока по времени для всей совокупности резисторов токового шунта. При этом необходимо, чтобы за время прохождения по шунту импульса контролируемого тока не были превышены допустимые интегралы квадрата тока во времени для отдельных резисторов. Это достигается путем уменьшения сопротивлений отдельных резисторов по мере увеличения толщины их активной массы. При таком выборе величин сопротивлений резисторов график изг менения тока в них.-( кроме последнего резистора 4р как функция времени будет содержать одиночную волну при каждом резком перепаде в форме криво контролируемого тока. Время нарастания этой волны тока в каком-либо резисторе будет определяться временем протекания процесса увеличения тока в рассматриваемом резисторе при одновременном уменьшении тока в предыдущем резисторе в условиях затягивания процесса перераспределения Тока индуктивностью, разделяющей эти резисторы. В свою очередь время спада волны тока будет определяться временем уменьшения основной доли тока в рассматриваемом резисторе при одновременном увеличении тока в последующем резисторе опять-таки в условиях затягивания процесса перераспределения тока разделяющей эти резисторы индуктивностью.

К входу коаксиального кабеля б прло)хена сумма падения напряжения на резисторе 4, падения напряжения на части индуктивности катушки 3 и взаимоиндуктивных падений напряжений в результате взаимоиндуктивных связей между индуктивностью вспомогателной катушки О и индуктивностями катушек 3 и 5 корректирующих цепочек. Напряжение на резисторе 4 нарастает плавно. В то же время индуктивное и взаимоиндуктивное падение напряжения пропорциональны производной тока, протекающего через соответствующие индуктивные элементы. Анализ показывает, что в результате выбора необходимых величин индуктивностей и взаимоиндуктивностей, а также при соответствующем выборе точки подключения катушки 8 индуктивности к катушке 3 индуктивности, возможно получить прямоугольную переходную характеристику шунта относительно контролируемого тока и напряжения в коаксиальном кабеле 6, т.е. в целом шунт оказывается неискажакщим форму графика тока во времени.

Таким образом, в предложенном шунте для измерения импульсного тока

появляется возможность перенесения основного энерговьщеления при прохождений контролируемого тока в резисторы, толщина активной массы которых значительно увеличена из-за уменьшёния скорости нарастания в них тока. Это позволяет увеличить широкополосность шунта, характеризуемую при регистрации прямоугольного импульса отношением длительности регистрируемого импульса к длительности его фронта, более, чем в тысячу раз.

В то же время использование в качестве -сглаживающих и корректирующих элементов шунта катушек индуктивностей и обеспечение взаимоиндуктивных связей между ними, некоторая величина которых обязательно присутствует в шунте, упрощает конструкцию последнего и, следовательно, снижает трудоемкость его изготовления и эксплуатации.

Формула изобретения

35 Шунт для измерения импульсного

тока, содержащий токосъемный резисто встроенный в рассечку проводника с контролируемьм током и подключенный одним из выводов к внешнему проводнику коаксиального кабеля срязи с осциллографом, основную активно-индуктивную корректирующую цепочку, включенную параллельно токосъемному резистору и состоящую из последрва45 тельно соединенных катушки индуктивности и энергоотводящего резистора, отли.чающийся тем, что, с целью расширения полосы воспроизВОДИ1ИЫХ частот, в него введены установленные друг за другом дополнитель,ные активно-индуктивные корректирующие .цепочки, входные выводы ка)хдой из которых связаны с выводами энергоотводящего резистора предыдущей

55 корректирующей цепочки, и вспомогательная катушка индуктивности, подключенная первым выводрм к промежуточному отводу катушки индуктивности основной корректирующей цепочки и раз

... деленная на секции, которые частично размещены в области магнитных полей катушек индуктивности корректирующих цепочек, причем величина сопротивления энергоотводящого резистора каждой последующей корректирующей цепочки выбрана меньшей.

а толщина активной массы - большей аналогичных параметров резистора предьщущей корректирующей цепочки, соответствующие выводы энергоотводящих резисторов дополнительных корректирующих цепочек подключены к внешнему проводнику упомянутого коаксиального кабеля, а второй вывод вспомогательной катушки индуктивност соединен с его внутренним проводником.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское г;видетельство СССР № 469092, кл. G 01 R 19/00, 1973.

2.Schwab Л. und Heinrich С, Meljwiderst-and zur Aajzeichnung schiieller stromanderungen im Nanosekundenbereich. Elektrutechniche

Zeitsch rift , Ausgabe,A.1966, 87. S.181.