Измерение больших импульсных токов

С большими импульсными токами, достигающими десятков и сотен килоампер, приходится встречаться как при исследовании атмосферных процессов (при разрядах молнии), так и при изучении физики плазмы, процессов в сильноточных выпрямителях, высоковольтных выключателях, вентильных разрядниках и нелинейных ограничителях перенапряжений. Для измерения больших импульсных токов обычно применяют низкоомные шунты и воздушные трансформаторы тока (называемые также поясами Роговского).

Наиболее распространенный способ измерения больших импульсных токов основан на измерении падения напряжения на малом активном сопротивлении, называемом шунтом тока, через который.

Рис. 5.25. Измерение импульсных токов с помощью низкоомного шунта: а — схема подключения осциллографа; б — эквивалентная схема замещения шунта протекает измеряемый ток. Схема измерения тока с помощью шунта приведена на рис. 5.25, а. Для того чтобы исключить многократное отражение волн на концах кабеля, его подключают к шунту через резистор R, сопротивление которого равно волновому сопротивлению кабеля. Если предположить, что сопротивление шунта чисто активное, то падение напряжения на нем прямо пропорционально току

В действительности вокруг шунта имеются электромагнитное и электрическое поля, которые могут быть учтены включением в эквивалентную схему шунта паразитных индуктивности и емкости. Влияние такой емкости, включенной параллельно резистору R_m с малым сопротивлением, незначительно, а учет индуктивности L производится ее включением в эквивалентную схему последовательно с R_m (рис. 5.25, б). В этом случае падение напряжения на шунте:

причем индуктивная составляющая напряжения на шунте тем больше, чем выше скорость изменения тока. Этой составляющей обычно пренебрегают, если coL < 0,05R_m, где а — эквивалентная частота фронта импульса. Составляющая Ldi/dt определяет погрешность, обусловливая ошибку при измерении первого максимального значения тока и искажая форму импульса из-за фазового сдвига Ч* между током, про- 226.

текающим через шунт, и напряжением на нем (рис. 5.26). Здесь н₀ — падение напряжения на безиндуктивном шунте /?," = 0,026 Ом, а и — то же, но при наличии индуктивности шунта L = 32 нГн. Видно, что индуктивность шунта вызывает скачок напряжения в момент появления на нем напряжения и сдвигает влево кривую напряжения. Поэтому шунты тока изготовляют гак, чтобы обеспечить возможно меньшую их индуктивность.

Рис. 5.26. Кривые падения напряжения на шунте.

Рис. 5.27. Эскиз бифилярного шунта.

Наиболее простыми являются бифилярные конструкции шунтов, одна из которых приведена на рис. 5.27. Шунт содержит бифилярно сложенные ленты 2 из металла с высоким удельным сопротивлением. Ленты изолированы друг от друга тонким слоем диэлектрика 3. Для включения в токовую цепь предусмотрены медные пластинчатые зажимы 1, между которыми зажимаются ленты шунта, болтами прижимаемые к шинам токовой цепи. Съем напряжения происходит через коаксиальный разъем 4. Он устанавливается так, чтобы в напряжение, снимаемое с шунта, не входило падение напряжения на токовых контактах 1.

Индуктивность такого шунта может быть оценена по формуле.

и может иметь заметную величину, поскольку петля, образованная шунтом и подводящими измерительными проводниками, пронизывается магнитным потоком, связанным с измеряемым током. Для уменьшения индуктивности шунта, что особенно важно при измерении быстро изменяющихся токов, переходят к коаксиальным шунтам. Наиболее целесообразно выполнять такие шунты в виде цилиндрической конструкции (рис. 5.28), располагая полосы или проволоки 3 из.

Рис. 5.28. Эскиз коаксиального шунта тока.

материала с высоким удельным сопротивлением по образующим диэлектрического цилиндра 2 и припаивая их по концам к контактным медным фланцам 4 и 6. Напряжение между фланцами 4 и 6 подается на вход осциллографа с помощью стержня 5, соединенного с фланцем 4 и расположенного по оси шунта.

Вследствие того, что измеряемый ток создает практически равномерный токовый слой по поверхности диэлектрической трубы, магнитное поле внутри шунта отсутствует, и измеряемое напряжение равно и = Ri.

Такой шунт вносит дополнительную индуктивность в силовой контур установки, что иногда недопустимо. Этот недостаток можно устранить, если поместить токовый шунт в медную трубку 1 и организовать по ней протекание обратного тока. Проводники 1 и 2 имеют близкие диаметры и поэтому образуют малоиндуктивный коаксиал.

Для измерения больших импульсных токов широко применяется также воздушный трансформатор тока, часто называемый поясом Роговского. Пояс Роговского представляет собой тороидальную катушку, которая охватывает провод основного контура. Протекающий по этому проводу ток создаст электромагнитное поле, силовые линии которого пронизывают витки катушки. Если пренебречь диаметром витка катушки по сравнению с расстоянием от его центра до токоведущего провода, то можно считать, что напряженность магнитного поля постоянна для всех точек в площади витка. При этом магнитный поток через сечение витка 5 (рис. 5.29) равен.

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

где, а — угол между вектором напряженности поля Н и нормалью к сечению S.

Потокосцсплсние с витками пояса Роговского, расположенными на длине ell, равно

где w — число витков пояса; / — длина _ «.

Рис. 5.29. Эскиз

средней линии, м. Потокосцепление со пояса Роговского всеми витками пояса.

По закону полного тока J Н cos adl = ij, где г) — измеряемый ток, т. е. полный ток, заключенный внутри контура интегрирования. Тогда

При разомкнутом поясе напряжение на его выводах, индуктируемое потокосцеплением Ч^, пропорционально производной измеряемого тока и ~ di /dt. При замыкании выводов пояса накоротко в витках возникает ток /₂, который создает потокосцепление самоиндукции ЧЭ ⁼ /лд, где L —индуктивность пояса. Поток, образованный током /₂, уравновешивает поток, создаваемый измеряемым током /), поэтому

Поскольку диаметр пояса значительно больше диаметра витка, индуктивность пояса может быть рассчитана как индуктивность тороидальной катушки длиной /:

Тогда.

т. е. измеряя ток в обмотке пояса Роговского, можно определить ток в проводе главной цепи, охватываемом этим поясом.

Для измерения тока в витках пояса Роговского его выводы замыкают на резистор с малым сопротивлением R_m, являющийся шунтом тока (рис. 5.30). Условие соГ"/?_ш должно соблюдаться для всех частот измеряемого тока. Реально таким способом удается регистрировать только короткие импульсы длительностью 1−10 мкс.

Рис. 5.30. Схема включения пояса с использованием шунта тока.

Рис. 5.31. Кривые напряжения на шунте тока.

В качестве примера на рис. 5.31 приведены кривые напряжения на шунте /?_ш. Здесь м₀ — кривая падения напряжения для идеального пояса, когда отсутствуют искажения, и — для пояса со следующими параметрами: w = 280 — число витков; диаметр 43 мм; длина 1,0 м; медный провод с диаметром 1,0 мм; L = 143 мкГн — индуктивность; /?о = 0,86 Ом — активное сопротивление обмотки и R = 1 Ом — сопротивление шунта. Видно, что для затухающего синусоидального тока с частотой 25 кГц наблюдается существенная ошибка при измерении первой амплитуды Дм и фазовое искажение ЧЛ Более универсальным, обеспечивающим измерение импульсов длительностью до нескольких миллисекунд является способ интегрирования напряжения, снимаемого с разомкнутых выводов пояса Роговского с помощью /?С-цепочки (рис. 5.32).

Рис. 5.32. Схема пояса с интегрирующей цепочкой.

Между проводом с током /, проходящим по оси тороида, и катушкой коэффициент взаимной индукции равен.

где (1₀ =4л-10^_7Гн/м — магнитная постоянная; S — площадь витка, м²; / — длина средней линии тороида, м; w — число витков в катушке.

ЭДС взаимной индукции на разомкнутых зажимах катушки.

С учетом паразитных параметров катушки схема замещения может быть представлена так, как показано на рис. 5.33. Здесь: е — ЭДС взаимной индукции; L_n, R_n, С" — индуктивность, сопротивление и емкость обмотки соответственно; /?_д — демпферное сопротивление; С_к — емкость кабеля; R_c — согласующее сопротивление. Интегрирование осуществляется цепочкой, состоящей из R + R_c и С_к+С.

Рис. 5.33. Схема замещения пояса Роговского с R — С интегратором Импульс ЭДС е, индуктируемый в поясе Роговского, возбуждает колебательный процесс в контуре L_u -С". Эти паразитные колебания сильно искажают фронт импульса и с на выходе интегрирующей цепочки. Для их устранения параллельно поясу подключено демпфирующее сопротивление /?_д, равное половине волнового сопротивления колебательного контура L_n — С_п

Для снижения помех, связанных с наводками на соединительный кабель Z, интегрирующий конденсатор С и согласующее сопротивление R_c = 50 Ом расположены непосредственно около осциллографа и находятся в экране. В целях развязки паразитной индуктивности пояса L_u и емкости С_к соединительного кабеля Z интегрирующий резистор R включен между поясом и кабелем. Этим повышается собственная частота пояса и обеспечивается регистрация более крутых фронтов импульсов тока.

После интегрирования напряжение, снимаемое с емкости С и подаваемое на осциллограф, равно.

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Рис. 5.34. Кривые напряжения на емкости С.

При расшифровке осциллограмм удобно пользоваться крутизной преобразования К:

которая определяется расчетным путем и проверяется экспериментально.

Измеряемый ток равен г) = KjU_c.

Для уменьшения влияния на измерительную цепь внешних полей один конец обмотки пояса пропускают в обратном направлении по осям витков.

Для сравнения на рис. 5.34 приведены те же кривые напряжения, что и на рис. 5.31, и для того же пояса Роговского. Видно, что как погрешность в измерении амплитуды тока, так и фазовые искажения в случае применения R — С интегратора при R = 1430 Ом и С = 0,1 мкФ существенно меньше, чем при применении L — R интегратора.

При измерениях высоких напряжений из соображений безопасности и удобства обслуживания электронный осциллограф устанавливают, как правило, на некотором расстоянии от испытуемого объекта. Удаление осциллографа способствует уменьшению непосредственного электромагнитного влияния на него цепи высокого напряжения испытательной установки, но увеличивает вероятность такого влияния на провода, соединяющие делитель или шунт тока с осциллографом. Ток испытательной установки / (рис. 5.35, а) создает изменяющееся во времени магнитное поле, которое пронизывает измерительные цепи. Индуктированное в этих цепях напряжение накладывается в виде помех на измеряемый сигнал. Одновременно через паразитную емкость С в измерительную цепь проникает электрическое поле, вызывающее помехи.

Рис. 5.35. Влияние высоковольтной цепи на осциллограф при применении: а — измерительных проводов;

6 — коаксиального кабеля Для сравнительно медленно меняющихся напряжений уменьшение помех может быть достигнуто бифилярным расположением подводящих проводов и экранированием измерительных цепей от помех. В случае быстро изменяющихся процессов заметно снизить помехи можно, выполнив коаксиальными подводящие к осциллографу измерительные цепи. Чаще всего такие цепи изготавливают в виде коаксиальных кабелей (рис. 5.35, б). Тогда помеха, проникающая через емкость, может быть исключена, так как силовые линии электрического поля между проводом с током и измерительной цепью заканчиваются.

на заземленной оболочке кабеля. Экранирование магнитной составляющей представляет собой более сложную задачу. Электромагнитное поле наводит в оболочке кабеля вихревые токи, которые создают встречное поле, и помеха, приходящая к осциллографу по кабелю, существенно уменьшается.

Обычные немагнитные оболочки коаксиальных кабелей не экранируют постоянные магнитные поля и плохо экранируют переменные магнитные поля низкой частоты. Однако это не имеет существенного значения, поскольку и помехи в кабеле также пропорциональны частоте измеряемого явления. Соответственно при малых частотах напряжение помех невелико и не требует экранирования. С увеличением частоты экранирующее действие для магнитных полей возрастает. Для дополнительного уменьшения электромагнитных наводок, возникающих в контуре «оболочка кабеля — земля», кабель помещают в стальную трубу, которая практически не пропускает магнитные силовые линии к оболочке кабеля. В некоторых случаях высокочастотные помехи могут быть снижены, если часть кабеля намотать на сердечник из магнитомягкого материала или на кабель одеть ферритовые кольца.

Поле, создаваемое высоковольтной установкой, может проникать внутрь осциллографа сквозь его корпус и вызывать искажения измеряемого сигнала, оказывая непосредственное воздействие на отклоняющие пластины. Это воздействие может быть уменьшено, если осциллограф поместить в металлическую кабину.

При быстро изменяющихся процессах в испытательной установке происходит перезарядка паразитных емкостей между элементами установки и окружающими заземленными предметами. Токи перезарядки этих емкостей могут достигать значительной величины и вызывать падение напряжения на сопротивлении заземления установки (рис. 5.36, а). Возникают скачки потенциала на заземленных элементах испытательной установки. По этим элементам (в том числе и по оболочкам измерительных кабелей) протекают уравнительные токи, вызывающие помехи на экране осциллографа.

Рис. 5.36. Смещение потенциала заземления испытательной установки: а — неэкранированной;б — экранированной Существенное снижение помех достигается в том случае, если вся испытательная установка размещена внутри металлического экрана (в клетке Фарадея). Токи перезарядки паразитных емкостей (рис. 5.36, б) замыкаются по стенке экрана, минуя сопротивление заземления Zj. Между отклоняющими пластинами осциллографа и его блоком питания имеется гальваническая и электромагнитная связь. Поэтому возможно также появление наводок, приходящих по цепям питания осциллографа. Для борьбы с ними применяют разделительные трансформаторы, т. е. трансформаторы с коэффициентом трансформации, близким к единице. Изоляция его обмоток рассчитана на несколько киловольт, между обмотками расположен металлический заземленный экран. Такая конструкция разделительного трансформатора устраняет гальваническую связь блока питания осциллографа с питающей сетью и существенно уменьшает емкостную связь между ними. Помехи, связанные с питающей сетью, устраняются также с помощью специальных фильтров, которые состоят из двух емкостных и одного индуктивного элементов, включенных по П-образной схеме.

Иногда бывает достаточно намотки сетевого подводящего провода на ферритовый сердечник.

В настоящем пособии рассмотрены лишь наиболее распространенные методы измерения высоких напряжений и больших импульсных токов. Ими не исчерпывается вес многообразие измерительных устройств и схем измерения, которые применяются в научных исследованиях, а также при проведении приемо-сдаточных и профилактических испытаний высоковольтных изоляционных конструкций.