Дистанционные электромагнитные преобразователи больших переменных токов

АННОТАЦИЯ

В статье приведен сравнительный анализ существующих преобразователей больших токов и факторы, влияющие на погрешности измерений. Выделен тип измерительного преобразователя с экономичной модификацией и приемлемыми показателями для применения в энергосистеме с высоким напряжением.

ABSTRACT

In the article a comparative analysis of existing high current transformers and factors affecting measurement errors are presented. The type of measuring transducer with an economical modification and acceptable performance for usage in a high-voltage power system is highlighted.

Ключевые слова: большой переменный ток, измерительный преобразователь больших переменных токов, погрешность, дистанционный электромагнитный трансформатор тока.

Keywords: large alternate current; measuring transducer of large alternate currents; error; remote electromagnetic current transformer.

Область использования больших переменных токов (БПТ) возрастает в связи с ростом потребления электроэнергии переменного тока. Измерение большого переменного тока промышленной частоты составляет одну из важнейших проблем современной электроизмерительной техники и практически всей промышленной электроэнергетики. Измерение охватывает широкий диапазон верхних и нижних значений. В настоящее время диапазон измерения больших переменных токов промышленной частоты довольно широк и составляет от 10 А до 70 кА. Токи большей силы подвергаются при измерениях промежуточному преобразованию с помощью специальных средств измерений – измерительных преобразователей большого переменного тока (ИПБПТ), – единственное назначение которых состоит в преобразовании значения большого тока во вторичную физическую величину, как правило, тоже электрическую по природе, значение которой пропорционально значению большого тока и доступно для прямого измерения стандартными приборами широкого применения, пределы измерений которых и другие технические характеристики согласуются с выходными характеристиками преобразователей. В настоящее время ИПБПТ имеют весьма разнообразное количество рис. 1. Наиболее распространенный вид преобразователя – измерительный трансформатор тока, но данные трансформаторы морально устарели и сдерживают развитие энергосистем, следовательно, стоит вопрос об актуальности поиска новых способов преобразования больших переменных токов с уменьшенными  погрешностями, возможностью монтажа и демонтажа устройства без разрыва токопровода, низкой материалоемкостью и простотой обслуживания, повышенной эксплуатационной надежностью, в диапазоне сверхбольших токов при бесконтактных измерениях.

Рисунок 1. Классификация измерительных преобразователей БПТ

Сравнительный анализ показал, что резистивные преобразователи, к которым относятся шунты и специальные меры соединения, в том числе комбинированные, несмотря на инвариантность показаний к внешним магнитным полям и ферромагнитным массам, отсутствие потребности к вспомогательным источникам питания, имеют относительно большую массу, с увеличением преобразуемого тока пропорционально возрастает мощность, обладают низкой надежностью и ограниченны в многопредельности, имеют большие динамические погрешности, связанные с эксплуатацией в условиях постоянного перегрева и их практически не возможно применять в цепях высокого напряжения.

Для измерений большого переменного тока также используют две основные разновидности магнитомодуляционных преобразователей: магнитные компараторы, обладающие сложной конструкцией – относящиеся к категории наиболее точных и использующиеся в качестве высших звеньев в поверочной иерархии (по данным экспериментальных исследований трехобмоточный компаратор с источником питания имел погрешности порядка 0,01%); и наиболее распространенный вид – трансформаторные преобразователи, характеризующиеся высокой надежностью и достаточно простой конструкцией и стоит отметить, что применяют для преобразования БПТ практически во всех диапазонах его значений, но точность измерения, у которого снижается при воздействии внешнего магнитного поля, повышения температуры и колебания питающего напряжения.

Особое внимание стоит уделить дистанционным электромагнитным трансформаторам тока типа ТВМ рис. 2, непосредственно реагирующие на магнитный поток измеряемого тока, но находящиеся на достаточно большом изоляционном расстоянии от проводов высокого напряжения. При этом устраняется необходимость в дорогостоящей высоковольтной изоляции между первичной и вторичной цепями преобразователя.

Рисунок 2. Дистанционный дифференциальный преобразователь тока типа ТВМ

Преобразователь тока данного типа представляет собой П-образный магнитопровод со вторичной обмоткой, разделенной на 2 одинаковые секции, расположенные симметрично на его боковых стержнях и соединенные по дифференциальной схеме. Преобразователь располагается под проводом фазы, по которой проходит измеряемый ток, как показано на рис. 2. Посторонние прямолинейные провода с токами считаем расположенными параллельно измеряемой в одной горизонтальной плоскости с ним. Магнитное поле измеряемого тока схематически показазано штриховқми линиямя, а поле построннего тока, например тока одной из соседних фаз, – штрихпунктирными. Как видно из рисунка, ЭДС, наводимые измеряемым током в секциях обмотки преобразователя, складываюся, а ЭДС от постороннего тока вычитаются одна из другой. Таким образом, повышается помехозащищенность данного устройства по сравнению с дистанционными электромагнитными преобразователями других типов. Попытки дополнительно ограничить влияние посторонних токов с помощью различных экранов и компенсирующих обмоток, помещенных на общий магнитопровод со вторичной обмоткой, не дали положительных результатов, но в этом направлении ведутся работы.

Начиная с середины прошлого века начали внедряться ИПБПТ, основанные на магнитогальванических эффектах, в частности, на эффекте Холла. Анализируя магнитогальванические измерительные преобразователи БПТ отметим, что параметры первичных преобразователей Холла характеризуются недостаточной стабильностью во времени и существенной чувствительностью к изменению температуры. Изменение чувствительности может достигать единиц процентов в год, температурные изменения также достигаются десятый долей процента на один градус. У данных измерительных преобразователей сниженная надежность, в связи с дополнительной коррекцией характеристик и компенсации влияния внешних факторов, сложная конструктивность и технологичность.

Очень важно обеспечение однозначной связи между индукцией магнитного поля и значением измеряемого тока, поскольку первичный преобразователь реагирует только на локальное поле, которое пронизывает участок, где он размещен, так как теоретическая конфигурация магнитного поля измеряемого тока может искажаться из – за близко расположенных ферромагнитных масс, других источников магнитного поля, в том числе соединенных токопровода, электрических агрегатов и машин. В результате этого параметры магнитного поля в выбранной конкретной области могут существенно и произвольно изменяться в зависимости от совершенно посторонних и неконтролируемых обстоятельств. То же будет происходить и при изменении местоположения такого преобразователя. Магнитогальванические преобразователи характеризуются погрешностями на уровне 0,2%, обладают достаточно высоким быстродействием, но не нашли широкого применения.   

Использование оптических каналов связи взамен крупногабаритных ИПБПТ, наиболее целесообразно, и измерительным преобразователям в основу которых лежит магнитооптический эффект Фарадея, уделяется большое внимание, но массовое внедрение таких ИП мешает их ограниченный срок службы применяемых комплектующих деталей, меньшей надежностью и сложностью, а также возникающими трудностями сопряжения с электромагнитными исполнительными устройствами защиты.

Факторы, препятствующие повышению точности измерений разделены на две группы: 1. Методический характер, связанный с недостатками практической реализации метода для конкретных условий измерений; 2. Скрытое в существе самого эффекта, которое в реальных условиях проявляются чаще всего с неблагоприятной стороны.

К числу достоинств магнитооптических преобразователей можно отнести быстродействие, а также возможность надежной электрической развязки между преобразовательным элементом и регистрирующей аппаратуры, что делает их особенно перспективными для измерения в высоковольтных цепях. 

Принцип работы магниторезонансных ИП основан на использовании явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), данный принцип можно отнести к наиболее высокоточным измерениям большого тока. Сложность обеспечения измерения магнитной индукции на основе ядерного резонанса – точечные элементы. Коэффициент связи между значением тока и магнитной индукции в одной точке, в реальных условиях может меняться из-за различных плохо контролируемых факторов. Обеспечение технического решения позволит создание конструктивного звена, функция которого заключается в обеспечении высокой однородности магнитного поля в объеме, занимаемом первичным преобразователем ЯМР. Хотя в последние годы разработаны ЯМР ИПБПТ с более равномерным и однородным магнитным полем и уменьшенным размером чувствительных элементов, все же погрешность измерений от неравномерности и неоднородности магнитного поля еще велики. Кроме того, нижний предел измерений у подобных ИПБПТ ограничивается значением магнитной индукции в зоне установки ЯМР-го чувствительного элемента (оно должно быть не менее 0,1 Тл).

Из анализа многообразных ИПБПТ, следует сделать вывод, что применение тех или иных преобразователей затрудняется для преобразования больших токов, в цепях высокого напряжения, поэтому дальнейшие исследования должны быть направлены на исследование дистанционного трансформатора тока ДТТ типа ТВМ, так как они являются наиболее экономичной модификацией, имеют вполне приемлемые показатели и позволят на их основе создать принципиально новый преобразователь с уменьшенными помехами токов соседних фаз.

Список литературы:
1. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М, Кибель В.М. и др., Трансформаторы тока, 2е издание, Ленинград, Энергоатомиздат, стр. 380
2. Аксенов Ю.П., Голебев А.В., Завидей В.И. Предприятие «ДИАКС». Контроль технического состояния трансформаторов тока ТФРМ на рабочем напряжении // Энергетик. – Москва, 2004. - № 3. – С. 29-30
3. Amirov S. F., Rustamov D. Sh. Babanazarova N. K.// RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELECTROMAGNETIC CURRENT TRANSDUCER// European science review, № 3–4 2019 March–April, р.95
4. Казанский В.Е., Трансформаторы тока в устройствах релейной защиты и автоматики, Москва, Энергия, стр. 191