PL227150B1 - Przekładnik pradowy z cewka Rogowskiego, z rozłozona rezystancja - Google Patents

Abstract

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie budowy przekładnika prądowego z cewką Rogowskiego, z rozłożoną rezystancją. Przekładnik jest wyposażony w cewki (1') połączone ze sobą równolegle lub w cewkę (1) z uzwojeniem podzielonym na segmenty (2). Uzwojenia w poszczególnych segmentach (2) są połączone z pomiarowymi przewodami (3), a między sobą są połączone równolegle. Uzwojenia cewek (1') lub cewki (1) są wykonane z materiału o małej przewodności właściwej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest przekładnik prądowy z cewką Rogowskiego z rozłożoną rezystancją, przeznaczony do pomiaru prądu zmiennego, znajdujący zastosowanie w sieciach i układach elektrycznych, szczególnie w stacjonarnych instalacjach pomiarowych.

Znane są przekładniki z cewką Rogowskiego, stosowane do pomiaru prądu zmiennego w określonym punkcie układu elektrycznego. Zasada działania cewki Rogowskiego wynika z II-go równania Maxwella, które mówi, że zmienny strumień magnetyczny przenikający zamknięty obwód elektryczny indukuje siłę elektromotoryczną. Siła ta jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego w czasie przy przyjęciu założenia, że siły elektromotoryczne indukowane w każdym zwoju cewki sumują się. Źródłem zmiennego strumienia magnetycznego jest prąd zmienny płynący w obwodzie pierwotnym. Obwodem pierwotnym jest przewód lub szyna stanowiąca element instalacji elektrycznej. Znane przekładniki z cewką Rogowskiego, wyróżniają się tym, że ich cewki mają uzwojenie nawinięte na toroidzie, przez którego środek przechodzi przewodnik z prądem. Siła elektromotoryczna indukowana w cewce Rogowskiego jest proporcjonalna do iloczynu pochodnej do czasu prądu płynącego w przewodzie i współczynnika sprzężenia magnetycznego pomiędzy cewką pomiarową a przewodem. Współczynnik sprzężenia magnetycznego zależy od kształtu i wymiarów cewki, liczby zwojów oraz od przenikalności magnetycznej materiału, na którym jest nawinięta cewka. W odniesieniu do cewki Rogowskiego materiał, na który jest nawinięta cewka jest materiałem niemagnetycznym. Sygnał uzyskany z cewki Rogowskiego jest całkowany w układzie integratora analogowego lub cyfrowego, w efekcie czego uzyskuje się przebieg odpowiadający chwilowym wartościom prądu w obwodzie pierwotnym przekładnika.

Dotychczas nie były znane sposoby pomiaru prądu zmiennego ani urządzenia do pomiaru prądu zmiennego, płynącego w jednym lub w wielu przewodnikach za pomocą układu utworzonego z równolegle połączonych cewek Rogowskiego.

Badania wykazały, że indukcyjność cewki Rogowskiego rośnie wraz z jej długością, proporcjonalnie do ilości zwojów co powoduje zwiększanie jej rezystancji. Efektem tego zjawiska jest zmniejszenie dokładności pomiaru.

Celem rozwiązania, według wynalazku jest wyeliminowanie wszystkich dotychczasowych niedogodności, w tym zredukowanie wypadkowej impedancji cewki, poprzez zastąpienie rezystora wejściowego stosowanego w układzie pomiarowym z cewką Rogowskiego rezystancją własną cewki, rozłożoną na całej jej długości, tak aby układ pomiarowy utrzymywał zerową różnicę potencjałów na zaciskach wyjściowych cewki, symulując stan odpowiadający zwarciu.

Istotę wynalazku stanowi budowa przekładnika prądowego z cewką Rogowskiego, z rozłożoną rezystancją, umożliwiająca rozłożenie rezystancji cewki na całej jej długości, tak aby układ pomiarowy współpracujący z tą cewką utrzymywał zerową różnicę potencjałów na zaciskach wyjściowych cewki, symulując stan zwarcia. Przekładnik prądowy z cewką Rogowskiego, zgodnie z wynalazkiem jest wyposażony w cewki połączone ze sobą równolegle lub w cewkę z uzwojeniem podzielonym na segmenty, przy czym uzwojenia w poszczególnych segmentach są połączone z pomiarowymi przewodami, a między sobą są połączone równolegle. Uzwojenia cewki lub cewek Rogowskiego w przekładniku są wykonane z materiału o małej przewodności właściwej. Wymogiem prawidłowej realizacji wynalazku jest aby rezystancja cewki była znacznie większa niż jej reaktancja dla częstotliwości mierzonego prądu, płynącego w przewodzie.

Dzięki zastosowaniu cewek połączonych ze sobą równolegle lub cewki z uzwojeniem podzielonym na segmenty i równoległym połączeniem tych segmentów cewki zachodzi możliwość zmniejszenia całkowitej indukcyjności cewki Rogowskiego i tym samym poprawienie dokładności pomiaru dla wyższych częstotliwości prądu. Układ elektryczny przekładnika prądowego pozwala na utrzymywanie zerowej różnicy potencjałów na wyjściowych zaciskach cewki co umożliwia zmniejszenie wpływu nierównomiernego rozkładu pola magnetycznego na długości cewki na dokładność pomiaru. Zastosowanie równoległego łączenia segmentów cewki stwarza możliwość budowy cewki o znacznych rozmiarach bez nadmiernego wzrostu jej indukcyjności. Rozwiązanie, według wynalazku umożliwia uzyskanie na wyjściu wzmacniacza napięcia proporcjonalnego do prądu cewki Rogowskiego. Umożliwia to na stosunkowo łatwe skorygowanie charakterystyki częstotliwościowej układu pomiarowego przy znajomości rezystancji i indukcyjności cewki. Wynalazek wpływa znacząco na uproszczenie konstrukcji przekładnika prądowego z cewką Rogowskiego, dzięki równoległemu połączeniu uzwojeń w poszczePL 227 150 B1 gólnych segmentach, przez co do wyprowadzenia sygnałów pomiarowych z przekładnika wystarczą dwa przewody. Ich liczba jest niezależna od ilości segmentów.

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 - pokazuje przedstawiony schematycznie w widoku z góry przekładnik z cewką Rogo wskiego z rozłożoną rezystancją, natomiast fig. 2 - uwidacznia schemat ideowy przekładnika, gdzie segmenty cewki Rogowskiego przedstawiono jako równoważne elementy dyskretne, połączone z układem pomiarowym.

Przekładnik prądowy z cewką Rogowskiego, z rozłożoną rezystancją , zgodnie z wynalazkiem posiada cewkę 1 podzieloną na sześć identycznych segmentów 2, rozmieszczonych równomiernie na obwodzie okręgu, w którego środku jest umieszczony przewód 3, wiodący prąd, którego pomiar jest dokonywany. Oś symetrii przewodu 3 stanowi jednocześnie środek okręgu, na którym są rozmieszczone segmenty 2 cewki 1. Uzwojenie każdego segmentu 2 jest wykonane z oporowego przewodu, tak dobranego aby rezystancja zastępcza RL uzwojeń kolejnych segmentów 2 była znacznie większa od jej reaktancji, w mierzonym zakresie częstotliwości. Końce uzwojeń 2' i 2 w poszczególnych segmentach 2 cewki 1 są połączone z elektrodami 4 i 5, mającymi postać rozmieszczonych jeden w drugim pierścieni. Kierunek siły elektromotorycznej e w każdym segmencie zachowuje zgodność ze strumieniem pochodzącym od mierzonego prądu i. Aby uniknąć przepływu prądów indukowanych przez zewnętrzne pola magnetyczne przez elektrody 4 i 5 ich obwody nie są zamknięte. Końce elektrod 4 i 5 są połączone ekranowym przewodem 6 z zaciskami wejściowymi 7 i 8 układu pomiarowego 9.

W układzie zastępczym przekładnika z cewką Rogowskiego z rozłożoną rezystancją, zaprezentowanym na rysunku, fig. 2 - uzwojenie każdego segmentu cewki zostało zastąpione szeregowym połączeniem źródła siły elektromotorycznej e₁, e₂, e₃, e₄, e₅, e₆. Siła elektromotoryczna e dla każdego segmentu 2 jest różna. Indukcyjność L i rezystancja R1 dla każdego segmentu 2 mają identyczną wartość w granicach tolerancji. Segmenty między sobą są połączone równolegle i mają jeden wspólny zacisk 10, przyjęty jako początek uzwojeń. Jest on dołączony do masy. Zacisk 11 łączący końce uzwojeń jest podłączony do wejścia odwracającego wzmacniacza W₁, odseparowanego od linii rezystorami Rw- i Rw+ o identycznej wartości. Wyjście wzmacniacza W1 jest połączone z zaciskiem 11 poprzez rezystor Rf sprzężenia zwrotnego, utrzymując zacisk 11 na potencjale masy. Wyjście wzmacniacza W1 jest połączone poprzez kondensator CF bezpośrednio z jego wejściem odwracającym 12 w celu ograniczenia pasma przenoszenia wzmacniacza W1, aby zapobiec wzbudzaniu wzmacniacza od pojemności pasożytniczych na wejściu. Wejście nieodwracające 13 wzmacniacza W1 jest przyłączone do potencjału masy M, zaś wejście odwracające 12 poprzez rezystor Rf jest połączone z wyjściem wzmacniacza W1 i dąży do utrzymania na zacisku 11 również potencjału masy M w granicach na jakie pozwala zakres i szybkość zmian napięcia wyjściowego wzmacniacza W₁. W efekcie każdy segment 2 cewki 1 może być niezależnym obwodem o zwartych zaciskach, stanowiący źródło prądu o wydajności wprost proporcjonalnej do indukowanej siły elektromagnetycznej e i odwrotnie proporcjonalnej do impedancji uzwojenia. Zgodnie z prawem Kirchoffa suma prądów w punkcie pomiarowym 14 jest równa zero. Czyli suma prądów z cewki 1 musi być równoważona prądem płynącym przez rezystor Rf w sprzężeniu wzmacniacza W1. Prąd ten jest proporcjonalny do napięcia na wyjściu wzmacniacza W1 wyprowadzonym na wyjściowy zacisk 15. Wyjściowy zacisk 15 został tak dobrany aby mógł być podłączony do wejścia integratora analogowego lub przetwornika analogowo-cyfrowego, a sam integrator może być zrealizowany cyfrowo.

Claims (2)

1. Przekładnik prądowy z cewką Rogowskiego, z rozłożoną rezystancją, wyposażony w cewkę połączoną dwoma przewodami z elektronicznym układem pomiarowym, znamienny tym, że jest on wyposażony w cewki (1') połączone ze sobą równolegle lub w cewkę (1) z uzwojeniem podzielonym na segmenty (2), przy czym uzwojenia w poszczególnych segmentach (2) są połączone z pomiarowymi przewodami (3), a między sobą są połączone równolegle, ponadto uzwojenia cewek (1') lub cewki (1) są wykonane z materiału o małej przewodności właściwej.

2. Przekładnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał uzwojenia cewek (1') lub cewki (1) o małej przewodności właściwej jest tak dobrany aby rezystancja cewek (1') lub cewki (1) była znacznie większa niż ich/jej reaktancja dla częstotliwości prądu, płynącego w przewodzie (6).