Вопросы преобразования больших переменных токов

АННОТАЦИЯ

В статье приведена информация о проблеме преобразования больших переменных токов, анализ существующих преобразователей, а также рассматривается возможность создания устройства с повышенной чувствительностью.

ABSTRACT

In the article information about the problem of converting large alternate currents, the analysis of existing converters are presented, and the possibility of creating a device with increased sensitivity is considered.

Ключевые слова: большой переменный ток, дистанционный электромагнитный трансформатор тока, чувствительность, помехи магнитных полей.

Keywords: large alternate current; remote electromagnetic current transformer; sensitivity; magnetic field interference.

Из всего многообразия видов потребления электроэнергии и потребителей можно выделить специфичные промышленные отрасли и технологические процессы, использующие электроэнергию именно большой силы тока, далеко отстоящей от нижней границы диапазона. К ним относятся: цветная металлургия, химическая промышленность, электромашиностроение, электроаппаратостроение, черная металлургия и т.д. Измерение большого переменного электрического тока (БПТ) промышленной частоты составляет одну из важнейших проблем современной электроизмерительной техники и практически всей промышленной электроэнергетики.

К измерительным преобразователям больших переменных токов предъявляют требования, сводящиеся к тому, чтобы его выходной ток (преобразованный) представлял с собой повышенную точность измерения, по сколько значение тока является исходной информацией для определения количества электричества и энергетического к.п.д.  Но обеспечение данных требований затрудняется сильными помехами от магнитных полей, создаваемых БПТ, массой, габаритов и потребляемой мощности. На современном этапе ведутся разработки средств измерений с новыми методами измерений БПТ, решающие проблему по повышению точности, но данные средства измерения, удовлетворяющие в полной мере все требования пока отсутствуют.

В настоящее время уже известно большое количество измерительных преобразователей больших переменных токов (ИПБПТ) и их можно разделить на: 1. Средства измерений, основанные на использовании падения напряжения на резисторе с известным сопротивлением, включенным в цепь измеряемого тока. Данные средства, имеют гальваническую связь с контуром измеряемого тока, поэтому они применяются в цепях с относительно не высоким напряжением. 2. Средства измерений, основанные на использовании магнитного поля, создаваемого измеряемым током. Данные средства наиболее многочисленны и обычно не требуют гальванической связи с цепью измеряемого тока, многие из них используются для измерений в высоковольтных цепях и для бесконтактных измерений больших переменных токов.   

Определенный интерес представляет общее сопоставление некоторых характеристик ИПБПТ, приведенных в таблице 1.

Таблица 1.

 Общее сопоставление некоторых характеристик ИПБПТ

Проанализировав каждый из ИПБПТ предполагается создание дистанционного измерительного преобразователя тока, на основе дифференциального МТТ, содержащего П-образный магнитопровод, образованный двумя стержнями и ярмом, связывающим одни концы стержней, на каждом из которых размещены рабочая и компенсационная обмотки, причем компенсационные обмотки включены параллельно-встречно, одни одноименные выводы рабочих обмоток объединены, а другие – раздельно подключены к выходным зажимам устройства непосредственно реагирующие магнитный поток измеряемого тока  и может быть использовано для измерения тока в проводах трехфазной линии электропередачи высокого напряжения.

Недостатком устройства является низкая чувствительность. Низкая чувствительность обусловлена незначительной величиной магнитного потока, проходящего через сердечник измерительной обмотки. Задача будет заключаться в том, чтобы повысить чувствительность и расширить функциональные возможности устройства.  Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения тока в проводе высоковольтной линии, содержащем электромагнитный датчик с сердечником и измерительной обмоткой, сердечник выполнен в виде многовитковой пружины, а измерительная обмотка одновременно охватывает все витки этой пружины, при этом датчик охвачен полым цилиндрическим магнитопроводом с кольцеобразными крышками. Кроме того устройство снабжено еще двумя аналогичными электромагнитными датчиками, установленными для измерения токов в двух других фазах высоковольтной линии, причем измерительные обмотки всех трех электромагнитных датчиков соединены между собой по схеме открытого треугольника.

На рис.1. представлена конструктивная схема предлагаемого устройства, на рис. 2 – расположение электромагнитных датчиков контролируемых фаз относительно проводов высоковольтной линии, на рис. 3 – схема соединения измерительных обмоток электромагнитных датчиков. Устройство содержит провода 1, 2 и 3 высоковольтной линии, токи в которых подлежат контролю, электромагнитный датчик, выполненный в виде многовиткового сердечника 4 с измерительной обмоткой 5, охватывающая все витки многовиткового сердечника 4. Для уменьшения влияния магнитных полей соседних проводов с соответствующими токами датчик свободно охвачен полым цилиндрическим магнитопроводом 6 с кольцеобразными крышками 7 и 8, выполняющим роль электромагнитного экрана. Измерительные обмотки всех трех электромагнитных датчиков соединены между собой по схеме открытого треугольника. ЭДС   Е_А, Е_В, и Е_С, снимаемые с каждой измерительной обмотки датчика, пропорциональна току того провода, под которым установлен соответствующий датчик, а ЭДС Е_Σ, снимаемая с открытого треугольника, пропорциональна току несимметрии трехфазной высоковольтной линии. Устройство для измерения токов в проводах высоковольтной линий работает следующем образом. При прохождении контролируемого переменного тока по проводу 1 высоковольтной линии вокруг этого провода создается магнитное поле, часть силовых линий которого замыкается через многовитковый сердечник 4 электромагнитного датчика и на основании закона электромагнитной индукции в измерительной обмотке 5 наводится ЭДС, величина которой определяется как:

                                                                        (1)

где ω_м, ω₀  – количества витков соответственно многовиткового сердечника 4 и измерительной обмотки 5; Ф_Ар – часть магнитного потока, создаваемого током провода 1. Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что магнитный поток каждый раз проходя по виткам многовиткового сердечника 4 наводят ЭДС в измерительной обмотке 5, т.е. суммарная ЭДС в измерительной обмотке предполагаемого устройства в  ω_м  раз больше, чем ЭДС в измерительной обмотке его прототипа. При симметричной трехфазной нагрузке

                     (2)

При появлении несимметрии условие (2) не выполняется, т.е. суммарная ЭДС всех трех измерительных обмоток устройства будет отлична, и она будет пропорциональна несимметрии токов в трехфазной высоковольтной линии. Таким образом, благодаря выполнению сердечника датчика в виде многовитковой пружины достигается повышение чувствительности, а использование трех идентичных электромагнитных датчиков, установленных для измерения токов всех трех фаз с соединенными измерительными обмотками по схеме открытого треугольника расширяет функциональные возможности устройства за счет одновременного измерения токов в трех фазах и несимметрии токов в этих фазах.

Рисунок 1. устройство для измерения токов в проводах трехфазной высоковольтной линии

Рисунок 2. Расположение электромагнитных датчиков контролируемых фаз относительно проводов высоковольтной линии

Рисунок 3. Схема соединения измерительных обмоток электромагнитных датчиков

Список литературы:
1. Диссертация //Исследование дистанционных трансформаторов тока применительно к релейной защите линий напряжением 110-220 кВ// автор: Ковженкин В.С., Москва 1997 г., стр. 6
2. Amirov S. F., Babanazarova N. K.// Magnetic circuit analysis of current transformer with multiple-turn core // European Applied Sciences, № 7 2016, р.23
3. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М, Кибель В.М. и др., Трансформаторы тока, 2е издание, Ленинград, Энергоатомиздат, стр. 380
4. Казанский В.Е., Трансформаторы тока в устройствах релейной защиты и автоматики, Москва, Энергия, стр. 191