Приложение В (справочное). Конструкция, полоса рабочих частот и коэффициент калибровки пробников тока

Приложение В
(справочное)

Конструкция, полоса рабочих частот и коэффициент калибровки пробников тока

В.1 Обсуждение характеристик токосъемников

Размеры токосъемника определяются максимальными размерами кабеля, на котором должны быть проведены измерения, максимальной мощностью тока, протекающего по кабелю, и полосой частот измеряемого сигнала.

Токосъемник обычно имеет тороидальную форму, причем провод, на котором должны быть проведены измерения, размещается в центре отверстия тороида. Существующие требования и технические условия изготовителей показывают, что диаметр центрального отверстия токосъемника может изменяться от 0,2 до 30 см. Вторичную обмотку размещают на тороиде так, чтобы обеспечить охватывание кабеля токосъемником. Тороидальный сердечник и обмотку помещают в экран, предотвращающий влияние электростатических зарядов. Экран должен иметь зазор, исключающий его превращение в короткозамкнутый виток на трансформаторе.

Типовые токосъемники, используемые при измерениях ИРП, имеют вторичную обмотку, содержащую от семи до восьми витков. Это оптимизированное число витков обеспечивает одновременно максимально плоскую частотную характеристику и вносимое полное сопротивление 1 Ом или менее.

Для частот ниже 100 кГц используются сердечники из ламинированной кремнистой стали. Ферритовые сердечники используются для полосы частот от 100 кГц до 400 МГц, и для полосы частот от 200 до 1000 МГц используется воздушный зазор с переходом от симметричной катушки к несимметричному 50-омному выходу. Расположение элементов типового токосъемника показано на рисунке В.1.

"Рисунок В.1 - Типовая конфигурация пробника тока"

Токосъемник используется в основном в качестве устройства, воспринимающего сигналы при проведении измерений параметров ИРП. Следовательно, его конструкция должна быть такой, чтобы преобразовывать токи ИРП в напряжения, которые могут быть обнаружены измерителем ИРП. Относительную чувствительность токосъемника выражают в единицах преобразованного полного сопротивления. Преобразованное полное сопротивление определяют как отношение вторичного напряжения (как правило, на 50-омной резистивной нагрузке) к первичному току. Иногда вместо этой величины используют преобразованную проводимость.

Полная чувствительность токосъемника и измерителя ИРП является функцией чувствительности измерителя. Минимальный обнаруживаемый ток ИРП в проводе представляет собой отношение чувствительности измерителя ИРП V к преобразованному полному сопротивлению датчика тока . Например, если используют измеритель ИРП чувствительностью 1 мкВ и токосъемник с преобразованным полным сопротивлением 10 Ом, то минимальный измеряемый ток ИРП составит 0,1 мкА, однако, если используют измеритель ИРП чувствительностью 10 мкВ и токосъемник с преобразованным полным сопротивлением 1 Ом, то минимальный измеряемый ток составит 10 мкА. Для получения наибольшей чувствительности значение преобразованного полного сопротивления должно быть возможно большим. Преобразованное полное сопротивление часто выражают в децибелах относительно одного Ома. Это удобная единица, соответствующая широко применяемым единицам уровня ИРП, выраженным в децибелах относительно одного микровольта или одного микроампера ( в децибелах относительно одного Ома определяют как 20 lg ).

В.2 Эквивалентная электрическая схема токосъемника

В соответствии с общей теорией трансформатора токосъемник может быть представлен точной эквивалентной схемой. Данная схема приведена во многих изданиях, например в [6]. После значительного упрощения точных эквивалентных схем и полученных из них уравнений могут быть получены следующие уравнения для преобразованного полного сопротивления токосъемника:

- на высоких частотах:

(B.1)

- на средних частотах:

, когда ();

(В.2)

- на низких частотах:

(В.3)

где - преобразованное полное сопротивление;

М - взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками;

L - индуктивность первичной обмотки;

- нагрузочное полное сопротивление вторичной обмотки;

С - распределенная емкость вторичной обмотки;

- угловая частота, рад/с.

Из приведенных уравнений можно сделать следующие выводы:

1) на средних частотах максимальное преобразованное полное сопротивление при постоянном нагрузочном полном сопротивлении прямо пропорционально отношению взаимной индуктивности к индуктивности вторичной обмотки (значение поддерживается постоянным);

2) на высоких частотах точка половинной мощности возникает, когда реактивность распределенной емкости вторичной обмотки равна нагрузочному полному сопротивлению.

В.3 Ограничивающие эффекты измерений с токосъемником

Токосъемник представляет собой тороидальный трансформатор, преобразующий полное сопротивление вторичной цепи в первичную цепь. Для вторичной обмотки, имеющей восемь витков, и 50-омной нагрузки типичное значение вносимого затухания составляет приблизительно 1 Ом. Для случаев, когда суммарное полное сопротивление источника сигнала и нагрузки в измеряемой цепи превышает 1 Ом, применение токосъемника не изменяет существенно условий прохождения первичного тока, однако если сумма полных сопротивлений источника сигналов и нагрузки оказывается меньше, чем вносимое затухание, применение токосъемника может привести к значительному изменению первичного тока.

Токосъемник применяется в основном для измерения тока ИРП в первичных силовых линиях, в которых может проходить ток не более 300 А - при постоянном напряжении и не более 100 А - при переменном напряжении. Токосъемник может также применяться вблизи устройств, которые могут генерировать сильные внешние магнитные поля. Преобразованное полное сопротивление токосъемника не должно изменяться при воздействии указанных токов и магнитных полей. Следовательно, магнитная цепь токосъемника должна быть сконструирована так, чтобы исключить ее насыщение. Учитывая, что переменные силовые токи могут иметь частоты от 20 Гц до 15 кГц, они могут стать причиной повреждения входных цепей подключенного измерительного приемника. Для того чтобы избежать этих повреждений, необходимо ввести между токосъемником и измерительным приемником режекторный фильтр, настроенный на частоты силовых токов. Схема фильтра высоких частот с частотой среза 9 кГц представлена на рисунке В.2.

"Рисунок В.2 - Схема фильтра высоких частот с частотой среза 9 кГц"

B.4 Типичные амплитудно-частотные характеристики пробников тока

Типичные амплитудно-частотные характеристики пробников тока с плоскими участками от 100 кГц до 100 МГц см. рисунок В.3а), от 30 до 300 МГц см. рисунок В.3b), от 200 до 1000 МГц см. рисунок В.3с).

B.5 Экранирующие устройства, используемые с токосъемниками

Токосъемник в сочетании с проводящим экранирующим устройством (например медным, латунным и т.д.) может быть использован для измерения общего несимметричного либо симметричного тока помех. Метод применим в полосе частот от 100 кГц до 20 МГц. Существенной особенностью этого метода является применение модифицированного радиочастотного токосъемника в сочетании с фильтром высоких частот. Фильтр высоких частот применяют в целях усиления режекции токов силовой частоты на выходе токосъемника. Порядок проведения испытаний изложен в [1].

В.5.1 Теоретическая модель

а) Эквивалентные схемы испытаний с применением токосъемников, на которых указаны составляющие токов: в фазном проводе сети (), в нейтральном проводе (), общий несимметричный ток (), симметричный ток (), приведены на рисунке В.4.

Примечание - Фазовый угол между и считается равным 0 (для проводов длиной менее 1 м при частотах ниже 30 МГц).

Анализ схемы позволяет вывести следующие соотношения (см. рисунки В.4а и В.4b):

;

;

;

.

"Рисунок В.3 - Зависимость передаточного полного сопротивления типовых пробников тока от частоты"

"Рисунок В.4 - Эквивалентные схемы испытаний с применением токосъемников"

Следовательно, на выходе токосъемника, охватывающего провода так, чтобы воздействия токов и складывались, будет сигнал, обусловленный только общим несимметричным (асимметричным) током, в то время как при вычитании воздействий от токов и на выходе должен появиться сигнал, связанный только с симметричным током. Необходима поправка 6 дБ к измеренному значению общего несимметричного тока из-за коэффициента 2 в уравнении для общего несимметричного тока (см. рисунок В.4b).

В.5.2 Конструкция экранирующего устройства

Конструкция дополнительного экрана показана на рисунке В.5. Размеры приведены для токосъемника с диаметром сердечника 51 мм. Для токосъемников с другими размерами конструкция должна быть соответственно изменена.

"Рисунок В.5 - Конструкция дополнительного экрана"

Дополнительный экран служит для позиционирования неэкранированных проводов в токосъемнике и обеспечения дополнительного экранирования от любого внешнего магнитного потокосцепления, когда один из выходных зажимов токосъемника заземляется. Изолированный многожильный провод сечением 0,75  пропускают через отверстия и соединяют на каждом конце с зажимами для подключения экранированных проводов сети электропитания и проводов, подключаемых к эквиваленту сети. По центру экранирующего устройства навивают изоляционную ленту так, чтобы провода были жестко укреплены в углублениях и эта часть сборки прочно удерживалась в токосъемнике, когда его закрывают. Экранирующее устройство позиционируют в токосъемнике так, чтобы плоскость, в которой укреплены провода, была перпендикулярна к плоскости зазора между половинами сердечника в токосъемнике. При этом важно обеспечить изоляцию экранирующего устройства, приведенного на рисунке В.5, от корпуса токосъемника так, чтобы зазор в корпусе не был закорочен.

В.5.3 Фильтр верхних частот

Высокочастотный фильтр, при необходимости, включают между выходом токосъемника и измерительным приемником. Фильтр может быть частью измерительного приемника (см. рисунки В.2 и В.4 б).

В.6 Коэффициент калибровки пробников тока

Калибровка токосъемников может быть проведена с использованием измерительного приспособления, представляющего собой коаксиальный адаптер в виде двух разъемных половин. В собранном состоянии и при установке токосъемника на положенное место адаптер образует коаксиальную линию, внешний провод которой окружает токосъемник, а внутренний провод проходит сквозь отверстие токосъемника (см. рисунок В.8).

Эквивалентная схема калибровки представлена на рисунке В.6. Значение тока , протекающего через внутренний провод, при условии, что коаксиальная линия хорошо согласована, может быть вычислено путем расчета на основе результатов измерений напряжения в линии. Материал экранирующего устройства токосъемника (если он является металлическим) должен быть учтен при конструировании измерительного приспособления и обеспечении согласования коаксиальной линии.

"Рисунок В.6 - Упрощенная схема цепи, включающей в себя коаксиальный адаптер и токосъемник. Измерение коэффициента калибровки токосъемника"

Преобразованная проводимость К, дБ (S) может быть вычислена по формуле

,

(В.4)

где - радиочастотное напряжение в коаксиальной линии, дБ (мкВ);

- радиочастотное напряжение на выходе токосъемника, дБ (мкВ);

Коэффициент 34 учитывает 50-омное полное сопротивление нагрузки.

Значение преобразованной проводимости К используют для вычисления значения измеренного тока по формуле

,

(В.5)

где выражают в дБ (мкА), - в дБ (мкВ), К - в дБ (S).

Пример зависимости коэффициента калибровки пробника тока от частоты представлен на рисунке В.7. Потери, вносимые коаксиальным адаптером, нагруженным на сопротивление 50 Ом с токосъемником, расположенным внутри адаптера, показаны на рисунке В.8. Фотография приспособления с коаксиальным адаптером приведена на рисунке В.9.

"Рисунок В.7 - Зависимость коэффициента калибровки пробника тока от частоты"

"Рисунок В.8 - Потери, вносимые коаксиальным адаптером, нагруженным на сопротивление 50 Ом с расположенным внутри токосъемником. Токосъемник также нагружен на сопротивление 50 Ом"

"Рисунок В.9 - Токосъемник между двумя половинами коаксиального адаптера"