Способ бесконтактного измерения электрического тока

 

Изобретение может быть использовано при построении устройств для измерения постоянного, переменного и импульсного токов, в частности, в качестве датчиков тока в системах релейной защиты электроэнергетических объектов. В способе бесконтактного измерения электрического тока, заключающемся в том, что в ферромагнитном сердечнике с помощью нанесенной на него первичной обмотки с измеряемым током создают основной магнитный поток, с помощью нанесенной на упомянутый сердечник вторичной обмотки с компенсирующим током создают встречный магнитный поток, причем знак производной компенсирующего тока периодически изменяют, а о величине измеряемого тока судят по значению низкочастотной составляющей компенсирующего тока, дополнительно упомянутое периодическое изменение знака производной компенсирующего тока осуществляют при выходе мгновенного значения этого тока из зоны, ограниченной значениями I макс W1 / W2 + H_s · L / W2, I мин W1 / W2 - H_s · L / W2, где I макс и I мин - граничные значения заданного диапазона измерения тока; W1 и W2 - количество витков соответственно первичной и вторичной обмоток; H_s - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующая границе его насыщения; L - длина средней магнитной силовой линии. Технический результат: обеспечение уменьшения аддитивной погрешности, повышение чувствительности, а также упрощение устройств, реализующих способ. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при построении устройств для измерения постоянного, переменного и импульсного токов, в частности, в качестве датчиков тока в системах релейной защиты электроэнергетических объектов.

Известен способ бесконтактного измерения постоянного и переменного тока, основанный на измерении магнитного потока, создаваемого измеряемым током, и преобразовании его в выходной сигнал, который пропорционален измеряемому току (см. , например, Наследов Д.Н. и Зотова Н.П. Прибор для измерения постоянных токов до 40 кА. - Электричество, 1961, N 3). Измеряемый ток создает в магнитопроводе, охватывающем проводник с током, пропорциональный ему магнитный поток, который пронизывает датчики Холла, расположенные в одном или нескольких зазорах магнитопровода. На выходе последних возникает напряжение Холла, пропорциональное магнитному потоку, а следовательно, и измеряемому току.

Недостатком данного способа является низкая точность измерений, обусловленная погрешностями датчиков Холла.

Известен также компенсационный способ бесконтактного измерения постоянных и переменных электрических токов (см., например, а.с. СССР N 292238, МКИ H 03 K 19/14, 1971 г. Открытия. Изобретения, N 4), основанный на измерении результирующего магнитного потока, образованного магнитными потоками измеряемого и компенсирующего тока, причем последний формируют из сигнала, пропорционального результирующему магнитному потоку. По значению компенсирующего тока судят о значении измеряемого тока. Данный способ использует условие практически полного равенства намагничивающих сил измеряемого и компенсирующего токов.

Недостатками этого способа являются - аддитивная погрешность, обусловленная влиянием коэрцитивной силы материала магнитопровода и э.д.с. небаланса датчиков Холла; - низкая чувствительность устройств, реализующих способ, из-за малого уровня выходного сигнала датчиков Холла и размагничивающего действия зазоров в магнитопроводе; - сложность устройств из-за наличия датчиков Холла с цепями их питания.

Наиболее близким к данному техническому предложению является способ бесконтактного измерения электрического тока, объединяющий компенсационный принцип измерения с принципом прерывистого (двухпозиционного) регулирования (см., например. кн.: Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты / В.В. Михайлов, Е. В. Кириевский, Е.М. Ульяницкий и др.; - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 208 - 209). Суть способа заключается в создании основного и компенсирующего магнитных потоков, пропорциональных измеряемому и компенсирующему токам, изменении знака производной компенсирующего тока после каждого изменения полярности разности результирующего и компенсирующего магнитных потоков и формировании выходного сигнала из низкочастотной составляющей компенсирующего тока.

Недостатками указанного способа-прототипа являются
- наличие аддитивной погрешности (погрешности нуля), обусловленной влиянием коэрцитивной силы магнитного материала сердечника из-за его перемагничивания по частным циклам петли гистерезиса, что приводит к неточности равенства намагничивающих и размагничивающих сил, а также влиянием аддитивной погрешности датчиков магнитного потока (э.д.с. небаланса датчиков Холла);
- низкая чувствительность устройств, реализующих способ, обусловленная малым уровнем выходного сигнала датчиков магнитного потока при изменении слабых токов из-за недостаточной чувствительности датчиков и наличия немагнитного зазора в магнитопроводе в местах их установки. Наличие указанных выше составляющих аддитивной погрешности ограничивает снизу порог чувствительности устройств уровнем абсолютного значения аддитивной погрешности;
- сложность устройств, реализующих способ, из-за необходимости использования датчиков магнитного потока, требующих дополнительного источника питания и встраиваемых в зазор магнитопровода, а также технологическая сложность выполнения этого зазора.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение аддитивной погрешности, повышение чувствительности, а также упрощение устройства, реализующего предлагаемый способ измерения.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе бесконтактного измерения электрического тока, заключающемся в том, что в ферромагнитном сердечнике с помощью нанесенной на него первичной обмотки с измеряемым током создают основной магнитный поток, пропорциональный измеряемому току, с помощью нанесенной на упомянутый сердечник вторичной обмотки с компенсирующим током создают встречный магнитный поток, причем знак производной компенсирующего тока периодически изменяют, а о величине измеряемого тока судят по значению низкочастотной составляющей компенсирующего тока, дополнительно, упомянутое периодическое изменение знака производной компенсирующего тока осуществляют при выходе мгновенного значения этого тока из зоны, ограниченной значениями
I_макс W₁/W₂ + H_s · L/W₂
и
I_мин W₁/W₂ - H_s · L/W₂,
где I_макс и I_мин - граничные значения заданного диапазона измерения тока; W₁ и W₂ - количество витков соответственно первичной и вторичной обмоток; H_s - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующая границе его насыщения; L - длина средней магнитной силовой линии.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что изменение знака производной компенсирующего тока осуществляют не по изменению полярности результирующего магнитного потока в ферромагнитном сердечнике, а по достижении компенсирующим током уровня, приводящего к насыщению сердечника. Моменты достижения такого уровня определяются по равенству мгновенных значений компенсирующего тока заданным значениям, обеспечивающим насыщение сердечника во всем диапазоне изменения измеряемого тока и равным
I_макс W₁/W₂ + H_s · L/W₂
и
I_мин W₁/W₂ - H_s · L/W₂.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

На фиг. 1 приведена эквивалентная схема устройства, которое реализует предлагаемый способ измерения. Оно содержит ферромагнитный сердечник 1, на который нанесены первичная 2 и вторичная 3 обмотки, формирователь 4 прямоугольного напряжения (ФПН) и резистор 5. Первый вывод вторичной обмотки 3 подключен к выходу формирователя 4. Второй выход обмотки 3 соединен с входом формирователя 4, выходом 6 устройства и первым выводом резистора 5, второй вывод которого подключен к общему проводу. Формирователь 4 может быть выполнен, например, в виде усилителя постоянного тока, работающего в режиме переключения (триггера Шмитта на операционном усилителе).

На фиг. 2 изображена кривая намагничивания (петля гистерезиса) сердечника 1 с указанием положения точек, характеризующих магнитное состояние сердечника 1. Точки 7 и 8 ограничивают участок его перемагничивания без насыщения, а точки 9 и 10 - полный диапазон перемагничивания. В точках 7 и 8 напряженность магнитного поля в сердечнике 1 равна Hs - значению, соответствующему началу насыщения сердечника 1.

На фиг. 3 изображены графики, которые поясняют работу устройства, реализующего предлагаемый способ:
где I_х · W₁ и i_к · W₂ - намагничивающие силы измеряемого и компенсирующего токов соответственно;
U_ф - выходное напряжение формирователя 4;
i_к.максW₂ и i_к.минW₂ - максимальное и минимальное значения намагничивающей силы, создаваемой током i_к, соответствующие моментам изменения производной тока i_к.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Протекающий по первичной обмотке 2 измеряемый ток I_х создает в сердечнике 1 намагничивающую силу I_x · W₁, осуществляющую намагничивание сердечника 1 и создающую основной магнитный поток. Формирователь 4, благодаря положительной обратной связи, вырабатывает переменное напряжение прямоугольной формы, под действием которого по вторичной обмотке 3 протекает компенсирующий ток i_к, создающий направленный встречно основному компенсирующий магнитный поток. Циклическое перемагничивание сердечника 1 осуществляется под действием разности намагничивающих сил I_х · W₂ и i_к · W₁ измеряемого I_х и компенсирующего i_к токов. Так как при перемагничивании сердечника 1 индуктивное сопротивление обмотки 3 больше, чем ее активное сопротивление в сумме с сопротивлением резистора 5, график изменения магнитного потока Ф в сердечнике во времени имеет практически пилообразную форму (фиг. 3).

Примем, что момент времени t₀ соответствует моменту изменения на положительную полярность выходного напряжения U_Ф формирователя 4 под действием пропорционального току i_к падения напряжения на резисторе 5. В этот момент времени сердечник 1 находится в насыщении (точка 9 на кривой намагничивания - фиг. 2), ток i_к в обмотке 3 имеет некоторое минимальное в (данном случае отрицательное) значение i_к.мин и начинает увеличиваться. Рабочая точка сердечника 1 перемещается из точки 9 в точку 7 кривой намагничивания и к моменту времени t₁ попадает в нее. В течение этого интервала времени изменение магнитного потока Ф, определяемое приложенным к обмотке 3 напряжением, соответствует большому изменению напряженности магнитного поля в сердечнике 1 и малому изменению магнитной индукции. Поэтому за короткий промежуток времени t₀ - t₁ происходит быстрое изменение компенсирующего тока i_к.

В процессе дальнейшего перемагничивания сердечника 1 его рабочая точка выходит на участок ненасыщенного состояния сердечника 1 между точками 7 и 8, на котором большое изменение магнитного потока Ф соответствует малому значению напряженности магнитного поля в сердечнике 1 и малому ее изменению. В результате в течение достаточно длительного интервала времени t₁ - t₂ происходит медленное изменение компенсирующего тока i_к и поддерживается приблизительное равенство намагничивающих сил I_х · W₁ и i_к · W₂. Рабочая точка сердечника 1 при этом перемещается из точки 7 в точку 8 по правой (на фиг. 2) ветви петли гистерезиса. Дальнейшее увеличение тока i_к приводит к насыщению сердечника 1 (участок между точками 8 и 10) и опять происходит быстрое изменение тока i_к, который в момент времени t₃ достигает максимального значения i_к.макс.

В этот момент времени падение напряжения на резисторе 5 достигает уровня переключения формирователя 4, который изменяет полярность напряжения U_Ф на отрицательную. В результате происходит уменьшение токам i_к по закону, определяемому формой кривой намагничивания сердечника 1, аналогичное описанному выше процессу, до установления значения компенсирующего тока i_к, равного i_к.мин. Сердечник 1 за это время перемагничивается, проходя последовательно точки 10, 8, 7, 9 в моменты времени t₃, t₄, t₅, t₆ соответственно. При этом перемагничивание осуществляется по левой (на фиг. 2) ветви петли гистерезиса. В момент достижения током i_к значения i_к.мин происходит изменение полярности выходного напряжения формирователя 4 на положительную, и далее рассмотренный процесс периодически повторяется.

Обмотки 2 и 3 включены встречно, поэтому токи I_х и i_к, протекающие в них, с учетом магнитного состояния сердечника связаны между собой следующим соотношением:
i_к · W₂ - I_х · W₁ = L · h(t),
где h(t) - мгновенное значение напряженности магнитного поля в сердечнике 1, изменяющееся во времени в процессе его перемагничивания;
L - длина средней магнитной силовой линии сердечника 1.

Из этой формулы находим выражение для мгновенного значения компенсирующего тока i_к:
i_к = I_х W₁ / W₂ + L · h(t) / W₂. (1)
Первое слагаемое этого выражения представляет собой среднее значение компенсирующего тока i_к (низкочастотную составляющую при медленных изменениях тока I_х), который осуществляет размагничивание сердечника 1, и несет информацию о величине тока I_х без погрешностей. Второе слагаемое - это высокочастотная составляющая - ток пикообразной формы, осуществляющий циклическое перемагничивание сердечника 1. Ток i_к, протекая через резистор 5, создает на нем пропорциональное падение напряжения U_вых, являющееся выходным сигналом устройства.

Влияние высокочастотной переменной составляющей тока i_к в выходном сигнале на выходе 6 может быть ослаблено известными методами, например LC-фильтрами.

В связи с тем, что форма тока i_к несет информацию о режиме перемагничивания сердечника 1, добиться перемагничивания сердечника по полному циклу для обеспечения полного размагничивания можно, осуществляя переключение полярности напряжения U_Ф формирователя 4 (а следовательно, и знака производной компенсирующей тока I_к) по признаку выхода значения компенсирующего тока I_к из зоны, ограниченной максимальным и минимальным значениями I_к.макс и I_к.мин, которые определяются диапазоном изменения тока I_х. Подставляя значения I_макс и I_мин в выражение (1) и учитывая знак напряженности h(t), соответствующий токам i_к.макс и i_к.мин, находим:
i_к.макс = I_макс W₁/W₂ + H_s · L/W₂,
i_к.мин = I_мин W₁/W₂ - H_s · L/W₂.

При изменении знака производной компенсирующего тока с достаточно высокой частотой, что может быть достигнуто уменьшением индуктивности вторичной обмотки 3 за счет уменьшения сечения сердечника 1, возможно получение широкой частотной характеристики устройства и, как следствие, измерение токов I_х в широком диапазоне частот. Этому способствует также и трансформация переменной составляющей измеряемого тока I_х. Знакопеременное напряжение формирователя 4 обеспечивает возможность измерения тока I_х разного направления, в том числе и переменного тока. Таким образом, устройство, реализующее предлагаемый способ, может измерять постоянные, переменные и импульсные токи.

Из-за симметричности петли гистерезиса реальных магнитных материалов положительная и отрицательная ветви передаточной характеристики устройства также будут симметричными. При равенстве модулей значений токов i_к.макс и i_к.мин и I_х = 0 сердечник 1 будет перемагничиваться по симметричному циклу, ток i_к будет содержать только переменную составляющую, и его среднее значение (постоянная составляющая) будет равно нулю. Поэтому аддитивная погрешность, обусловленная гистерезисом сердечника будет отсутствовать. Причем благодаря перемагничиванию сердечника 1 по полному циклу среднее значение тока i_к (низкочастотная составляющая) не зависит от коэрцитивной силы материала сердечника. Отсутствие датчика Холла приводит также к устранению и аддитивной погрешности, обусловленной э.д.с. небаланса этого датчика.

Отсутствие немагнитного зазора приводит к полному использованию большого значения магнитной проницаемости материала сердечника 1 и, как следствие, к повышению чувствительности устройства.

Значительное уменьшение аддитивной погрешности устройств, реализующих предлагаемый способ, позволяет существенно повысить чувствительность устройств.

Предлагаемый способ бесконтактного измерения постоянного тока может быть реализован более простым устройством, не содержащим датчик Холла с цепями его питания. Такое устройство будет более технологичным в производстве из-за отсутствия немагнитного зазора в сердечнике 1, дешевле и надежнее, чем выполненное по способу-прототипу.

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения электрического тока, заключающийся в том, что в ферромагнитном сердечнике с помощью нанесенной на него первичной обмотки с измеряемым током создают основной магнитный поток, с помощью нанесенной на упомянутый сердечник вторичной обмотки с компенсирующим током создают встречный магнитный поток, причем знак производной компенсирующего тока периодически изменяют, а о величине измеряемого тока судят по значению низкочастотной составляющей компенсирующего тока, отличающийся тем, что знак производной компенсирующего тока изменяют при выходе мгновенного значения этого тока из зоны, ограниченной значениями
Iмакс W1 / W2 + Hs · L / W2
и
Iмин W1 / W2 - Hs · L / W2,
где Iмакс и Iмин - граничные значения заданного диапазона измерения тока;
W1 и W2 - количество витков соответственно первичной и вторичной обмоток;
Hs - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующая границе его насыщения;
L - длина средней магнитной силовой линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3