2.3 Измерение токов

Структура измерительного устройства для измерения тока определяется его величиной и характером изменения во времени. Установившиеся значения токов относительно небольшой величины (до 50 А) измеряют непосредственно стандартными амперметрами соответствующих систем и классов точности, в зависимости от ответственности проводимых измерений. Однако, при испытаниях аппаратов достаточно часто (в режимах короткого замыкания) необходимы измерения весьма больших токов (десятки килоампер). Причем, измерения осуществляются не только в установившихся, но и в переходных режимах. В таких случаях используют различного рода измерительные преобразователи. Наиболее широкое распространение для измерения токов получили: безындуктивные шунты, трансформаторы тока с сердечником и без сердечника (с немагнитным сердечником), а также датчики тока с использование различных эффектов (оптический эффект Фарадея, эффект Холла и т.п.).

Безындуктивные шунты широко используются в испытательных установках, поскольку являются наиболее удобными и относительно простыми ИП, обеспечивающими достаточно высокую точность измерений токов короткого замыкания. Существенным недостатком использования шунтов является отсутствие гальванической развязки между силовой цепью и измерительным контуром, поэтому его использование возможно только в том случае, если участок цепи, на котором измеряется ток, заземлен. При испытаниях аппаратов применяется два вида шунтов:

а) высокоомные шунты с сопротивлением порядка миллиом и падением напряжения 1–2 В, используемые, главным образом, при испытаниях высоковольтных аппаратов;

б) низкоомные шунты с сопротивлением порядка микроом и падением напряжения 50–100 мВ, используемые соответственно при испытаниях аппаратов низкого напряжения.

Измерительный шунт представляет собой проводник определенной формы, выполненный из материала с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин и т.п.), включаемый в измеряемую цепь. К определенным точкам шунта (А–В) подключается измерительная цепь. Она включает в себя, как правило, высокочастотный кабель, согласующие элементы (резистор r_c) и РП: милливольтметр или осциллограф. Сопротивление согласующего резистора выбирается равным волновому сопротивлению линии (высокочастотного кабеля), поскольку Z_л >> R_ш.

Основным требованием к измерительному шунту является полное соответствие напряжения на зажимах измерительной цепи измеряемому току: , где K – коэффициент преобразования, не зависящий от величины тока i(t) и скорости его изменения. При измерении постоянных и медленно меняющихся токов (включая токи промышленной частоты) это требование всегда выполняется, поскольку , где R_ш – активное сопротивление шунта.

При измерении высокочастотных и быстроменяющихся (импульсных) токов такое соответствие нарушается. Падение напряжения, регистрируемое прибором, в переходном режиме будет удовлетворять следующему уравнению: , где – составляющая, обусловленная собственной индуктивностью проводника шунта, а также потокосцеплением с контуром АВЕ собственного магнитного поля токовой цепи шунта и посторонних полей (прилегающих к шунту участков токопровода). Кроме того, не всегда выполняется условие: , вследствие поверхностного эффекта.

Таким образом, измеряемое падение напряжения u_CD(t) определяется не только величиной измеряемого тока, но и скоростью его изменения, что нарушает требование соответствия между i(t) и u_CD(t). Следует, однако, заметить, что собственная индуктивность шунта, как правило, весьма мала и в большинстве случаев не учитывается. Однако влияние других факторов весьма заметно. Их ограничение обычно достигается:

а) снижением площади, ограниченного контуром АВЕ

б) применением тонкостенных проводников; при этом толщина стенки должна быть намного меньше глубины проникновения электромагнитной волны: , где  – удельное электрическое сопротивление материала шунта;  – угловая частота измеряемого тока.

Основные конструктивные решения безындуктивных шунтов имеют следующий вид:

а) б) в)

Наряду с шунтами, для измерения токов при испытаниях ЭА широко применяются трансформаторы тока (ТТ). Основным их достоинством является наличие гальванической развязки между силовой и измерительной цепями. Существует две разновидности ТТ:

1. ТТ со стальным сердечником получили широкое распространение в устройствах автоматики и релейной защиты, однако практически непригодны для точных измерений реальных токов к.з. из-за наличия больших погрешностей. Поэтому в испытательных установках они используются, главным образом, для качественной оценки процесса к.з.

2. ТТ с немагнитным сердечником (пояс Роговского) широко применяются для измерения импульсных и быстроменяющихся токов. В последнее время пояс (катушка) Роговского используется также и в микропроцессорных УРЗА. Схема регистрации тока с помощью пояса Роговского имеет следующий вид:

Измеряемый ток i(t) проходит по шине Ш. В соответствии с законом электромагнитной индукции во вторичной обмотке w₂ индуктируется ЭДС , пропорциональная . Для получения осциллограммы i(t) ко вторичной обмотке подключается интегрирующая цепочка ИЦ с относительно большой (свыше 1 с) постоянной времени. Конструктивно пояс Роговского аналогичен ТТ с ферромагнитным сердечником. Отличительными особенностями его вторичной обмотки являются:

а) равномерная и плотная намотка витков на каркас;

б) наличие внутренней петли, которая необходима для компенсации влияния внешнего магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа.

Датчик Холла широко применяется в последнее время в испытательных установках. Он представляет собой измерительный преобразователь, в котором используется эффект Холла, сущность которого заключается в следующем. Если металлическая пластинка с током помещена в магнитном поле, то на электроны действует сила Лоренца, в результате чего возникает смещение зарядов и как следствие разность потенциалов (ЭДС Холла). Из-за очень малой ее величины эффект Холла долгое время представлял лишь чисто научный интерес. Однако, с развитием полупроводниковой техники выяснилось, что ряд элементов и их соединений имеют достаточно большую ЭДС Холла, что привело к широкому использованию эффекта Холла в измерительных устройствах. Конструктивно датчик Холла представляет собой полупроводниковую пластинку или пленку снабженную двумя парами невыпрямляющих контактов. Контакты 1-1 являются токовыми электродами; 2-2 холловскими (выходными) электродами. Если между контактами 1-1 протекает ток I и пластина располагается в магнитном поле с индукцией В перпендикулярном ее плоскости, то на электродах 2-2 возникает ЭДС: , где K – постоянная для данной пластины. Данное соотношение лежит в основе создания измерительных устройств, в частности датчиков тока.

Рассмотрим пример схемы регистрации тока с помощью датчика Холла. В данном случае он помещен в воздушном зазоре тороидального сердечника, охватывающего шину, в которой протекает измеряемый ток i(t). Между токовыми электродами 1-1 датчика Холла пропускают постоянный неизменный по величине ток I_у. При ненасыщенном сердечнике магнитный поток (и магнитная индукция В) пропорциональны измеряемому току i(t). Таким образом, ЭДС Холла, снимаемая с контактов 2-2 будет пропорциональна только измеряемому току i(t).