PL223832B1

PL223832B1 - Ekranowana cewka Rogowskiego

Info

Publication number: PL223832B1
Application number: PL399173A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Szkółka
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2016-11-30
Also published as: PL399173A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest ekranowana cewka Rogowskiego przeznaczona do monitorowania przebiegu i pomiaru prądu przemiennego, w szczególności stosowana w układach pomiarowych pracujących w środowisku narażonym na działanie zakłócających pól magnetycznych.

Cewka Rogowskiego o wysokiej pojemności magnetyczno-indukcyjnej znana z chińskiego opisu patentowego nr CN101162635, zawiera magnetowód ze szczeliną powietrzną jako magnetowód strumienia użytecznego, wzdłuż którego są równomiernie rozmieszczone płytki ze zwojami w postaci obwodów drukowanych. Uzwojenia na nich są połączone szeregowo. Pozwala to na znaczne zwiększenie użytecznej czułości cewki a tym samym zmniejszenie procentowego udziału napięć pasożytniczych w sygnale użytecznym. Jednak zastosowanie ferromagnetycznego obwodu magnetycznego cewki ogranicza zakres liniowego przekształcania prądów w szerokim zakresie ich wartości w szczególności przy przebiegach odkształconych.

Cewka Rogowskiego średniego napięcia, urządzenie elektryczne zawierające cewkę Rogowskiego i elektrostatyczny ekran dla cewki Rogowskiego, znane są z chińskiego opisu patentowego nr CN102033165. Uzwojenie cewki umieszczone na rdzeniu, pokryte jest izolatorem, na którym nawinięte jest ekranujące uzwojenie przewodzące, przy czym ekranujące uzwojenie przewodzące stanowiące ekran elektrostatyczny, jest uziemione. W rozwiązaniu tym ekran elektrostatyczny zabezpiecza użyteczny sygnał cewki przed pasożytniczym wpływem ładunków elektrostatycznych, podczas gdy w zwartych rozwiązaniach kompaktowych aparatów, urządzeń i układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej głównym źródłem zakłóceń użytecznego sygnału cewki są prądy sąsiadujących ze sobą torów prądowych.

Cewka Rogowskiego ze szczeliną powietrzną w ferromagnetycznym rdzeniu o wysokiej przepuszczalności, znana z chińskiego wzoru użytkowego nr CN200959273, zawiera dwa dzielone uzwojenia nawijane na połówkach ferromagnetycznego toroidu. Rozwiązanie to ułatwia zakładanie na przewód, a wprowadzona podwójna szczelina powietrzna zwiększa zakres liniowego przetwarzania i zwiększa czułość cewki. Niestety istnienie ferromagnetycznego obwodu magnetycznego cewki zmniejsza także reluktancję dla strumieni pasożytniczych pochodzących od prądów sąsiednich torów prądowych sprzęgając je ze zwojami cewki. Tym samym w zwiększonym sygnale użytecznym cewki pojawia się zwiększony sygnał pasożytniczy.

Z dokumentu JP2011174769A znana jest ekranowana cewka Rogowskiego, która na zewnętrznej powierzchni posiada warstwę izolacyjną dla pola elektrycznego i warstwę ochronną dla pola magnetycznego, wykonane z odpowiednio dobranych materiałów magnetycznych miękkich.

Istota cewki Rogowskiego według wynalazku polega na tym, że zewnętrzna cylindryczna powierzchnia cewki obudowana jest ferromagnetycznym ekranem w postaci co najmniej jednego koncentrycznego pierścienia obejmującego cewkę, posiada ponadto co najmniej trzy niezwarte, luźne nawoje (5) wykonane z materiału ferromagnetycznego i nawinięte równomiernie na całym obwodzie cewki oraz rozcięte wzdłuż zewnętrznego jej obwodu.

Zaletą ekranowanej cewki Rogowskiego według wynalazku jest zwiększona odporność na indukowanie się w niej niepożądanych napięć indukowanych od sąsiednich torów prądowych. Ma to szczególne znaczenie w przypadku wykorzystywania sygnału cewek Rogowskiego w układach elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej z uwagi na wyeliminowanie przypadków jej niepotrzebnego działania przy zakłóceniach występujących w sąsiednich kablach. Ponadto układ charakteryzuje się prostą konstrukcją i niewielkim kosztem wykonania.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia cewkę Rogowskiego ekranowaną przed wpływem pasożytniczych strumieni magnetycznych pochodzących od prądu płynącego w przewodzie prostopadłym do płaszczyzny cewki. fig. 2 cewkę Rogowskiego ekranowaną przed wpływem pasożytniczych strumieni magnetycznych pochodzących od prądu płynącego w przewodzie leżącym w płaszczyźnie cewki, a fig. 3 - ekranowaną cewkę Rogowskiego w ujęciu schematycznym.

Ekranowana cewka Rogowskiego zawiera uzwojenie 1 równomiernie nawinięte na niemagnetycznym toroidzie 2, wewnątrz którego umieszczone są zwoje kompensujące 3 połączone szeregowo z uzwojeniem 1. Zewnętrzna cylindryczna powierzchnia cewki obudowana jest ferromagnetycznym ekranem w postaci koncentrycznego pierścienia 4 obejmującego cewkę i niezwartych luźnych nawojów 5 wykonanych z materiału ferromagnetycznego i nawiniętych równomiernie na całym obwodzie cewki oraz rozciętych wzdłuż zewnętrznego jej obwodu.

PL 223 832 B1

W układzie cewki Rogowskiego ekranowanej przed wpływem pasożytniczych strumieni magnetycznych pochodzących od prądu I płynącego w przewodzie prostopadłym do płaszczyzny cewki (fig. 1) powstają różne stopnie sprzężenia magnetycznego rozłożonych na obwodzie toroidu zwoi cewki Rogowskiego ze strumieniami φ,, φ₂, φ₃ generowanymi przez przewód z prądem I. Symetryczne położenie zwoi objętych strumieniem φ₂ pozwala założyć, że napięcia indukowane w nich przez strumień φ₂ są jednakowe i przeciwnie skierowane, w wyniku czego się znoszą. Z uwagi na różną odległość zwoi sprzęgniętych strumieniem φ, i φ₃ od przewodu z prądem pasożytniczym I, większe napięcia pasożytnicze wyidukują się w zwojach cewki położonych bliżej przewodu od strumienia φ_Ί niż w zwojach położonych dalej a objętych strumieniem φ₃. Wynika to z podstawowej zależności na wartość siły sem e(t) w pojedynczym zwoju o powierzchni S odległym o wartość x od przewodu z prądem:

e(t) = μ₀ -z -s

2π x di dt

W wyniku tego napięcia pasożytnicze indukowane w zwojach najbliżej i najdalej odległych od przewodu z prądem nie kompensują się a w cewce pojawia się różnica ich wartości. Wyposażenie cewki Rogowskiego w zewnętrzny koncentryczny ekran w postaci koncentrycznego pierścienia 4, daje w efekcie zmianę rozpływu tych strumieni, a tym samym zmianę pasożytniczych sprzężeń - minimalizując wartość napięcia pasożytniczego indukowanego w cewce przy takiej konfiguracji układu „cewka - przewód z prądem”.

W układzie cewki Rogowskiego ekranowanej przed wpływem pasożytniczych strumieni magnetycznych pochodzących od prądu płynącego w przewodzie leżącym w płaszczyźnie cewki (fig. 2), powstają sprzężenia magnetyczne poszczególnych strumieni wewnętrznego φ_w i zewnętrznego φ_ζgenerowanych przez przewód z prądem I. W cewce wyposażonej w uzwojenie kompensujące, strumień wewnętrzny φ^ sprzęga się w miarę jednakowo ze zwojami kompensującymi i uzwojeniem cewki Rogowskiego, natomiast strumień zewnętrzny φ_ζ sprzęga się częściowo z uzwojeniem cewki i nie sprzęga się z uzwojeniem kompensującym. W wyniku tego działanie zwoi kompensujących staje się mało skuteczne z uwagi na różne wartości napięć pasożytniczych indukowanych w zwojach kompensujących i uzwojeniach cewki Rogowskiego.

Wyposażenie cewki Rogowskiego w ekran ferromagnetyczny w postaci niezwartych, luźnych nawojów 5 wykonanych z materiału ferromagnetycznego i nawiniętych równomiernie na całym obwodzie cewki oraz rozciętych wzdłuż zewnętrznego jej obwodu, daje w efekcie prawie jednakowe sprzężenie obu tych uzwojeń. Ekran ten, poprawia skuteczność działania zwoi kompensujących a tym samym zmniejsza wartości napięć pasożytniczych indukowanych w cewce od przewodu z prądem I leżącym w płaszczyźnie cewki.

Cewka Rogowskiego wyposażona jednocześnie w obydwa ekrany przedstawiono na fig. 3. Ekran toroidalny zewnętrzny 4 zmniejsza wpływ strumieni pasożytniczych pochodzących od prądów płynących w przewodach prostopadłych do płaszczyzny cewki natomiast ekran wewnętrzny 5 w postaci luźnych nawojów wykonanych z materiału ferromagnetycznego i nawiniętych równomiernie na całym obwodzie cewki oraz rozciętych wzdłuż zewnętrznego jej obwodu zmniejsza wpływ strumieni pasożytniczych pochodzących od prądów płynących w przewodach leżących w płaszczyźnie cewki.

Claims

Ekranowana cewka Rogowskiego zawierająca uzwojenie równomiernie nawinięte na niemagnetycznym toroidzie, wewnątrz którego umieszczone są zwoje kompensujące połączone szeregowo z uzwojeniem, przy czym zewnętrzna cylindryczna powierzchnia cewki obudowana jest ferromagnetycznym ekranem w postaci co najmniej jednego koncentrycznego pierścienia obejmującego cewkę znamienna tym, że posiada ponadto co najmniej trzy niezwarte, luźne nawoje (5) wykonane z materiału ferromagnetycznego i nawinięte równomiernie na całym obwodzie cewki oraz rozcięte wzdłuż zewnętrznego jej obwodu.