Погрешность токовых клещей - Квантор-Т

О расхождении показаний токовых клещей
Напомню одно из положений электротехники: основным фактором, определяющим
возможности изделия – создание крутящего момента, силы притяжения или выделения
теплоты – является ток. Напряжение вторично. Единица измерения напряжения является
производной.
Переменный ток в идеале должен изменяться во времени по синусоидальному закону, как показано на рис.1. Различают максимальный Im и действующий ток I. Действующим называют среднее квадратичное значение переменной величины за период Т. Действующий переменный ток эквивалентен по воздействию постоянному току такой же величины.
T
1 2
I
i  dt
T 0
Если i  I m Sin wt , то связь максимального (амплитудного)
и действующего токов простая - I 
Im
2
.
Среднее квадратичное значение тока взято по той
причине, что в формулах, выражающих связь энергетики
процесса с рассматриваемой величиной, а это относится не только к току, она представляется квадратом. Например, кинетическая энергия тела постоянной массы пропорциональна квадрату скорости, электрическая мощность при постоянном сопротивлении цепи пропорциональна квадрату напряжения.
Измерительные приборы –
амперметры, имеют, как правило,
один из двух типов привода указательной стрелки. Первый механизм называется электромагнитным и показан на рис.2-а. При подаче на катушку 1 синусоидального тока пластина 2, выполненная
из магнитомягкого материала,
втягивается в катушку. На оси
стрелки появляется крутящий момент, пропорциональный квадрату
Рис. 1
мгновенного значения тока. Инерция подвижной части механизма
позволяет регистрировать средний действующий ток за несколько периодов.
Недостатком прибора можно назвать, во-первых, квадратичную зависимость крутящего момента от протекающего тока, во-вторых, большое энергопотребление. Приборы
с данным механизмом легко узнаваемы по нелинейности шкалы – рис.2-б. Они не применяются в автономных системах, работающих на батарейках, хотя универсальны и могут
использоваться как в цепях постоянного тока, так и любой несинусоидальной формы.
Положительным качеством можно назвать отсутствие в механизме элементов,
имеющих склонность менять с течением времени параметры, влияющие на точность измерения. Если у столетнего прибора нет видимых повреждений, ему можно доверять.
Второй тип механизма – магнитоэлектрический. Он изображен на рис.3-а. В зазоре
между внутренним стержнем и наружным магнитным кольцом появляется сильное радиальное магнитное поле. В него помещена рамка с током (зачернена). К рамке прикреплена
стрелка, и конструкция может вращаться относительно общей оси.
Рис. 2
1
Привод лишен недостатков, которыми обладает первый тип. У прибора линейная
шкала и очень малое потребление тока. Последний фактор позволяет сделать прибор миниатюрным и использовать в автономных системах, в том числе – токовых клещах.
Рис. 3
Но есть и недостаток – механизм не способен реагировать на ток переменного
направления – синусоидальный. Для преобразования его в однонаправленный существует
много схем, одна из которых приведена на рис.3-б.
Принято изображать график выпрямленного тока
как на рис.4-а. Такая картина соответствует действительности, если напряжение на диодах - десятки вольт. На обмотке L1 (рис.3-б) ЭДС составляет единицы вольт, поэтому сказывается напряжение перехода диодов, находящееся в диапазоне 0,5...0,8 В. До достижения напряжения величины, равной напряжению перехода, диод закрыт и в
прямом направлении. График тока «проседает» и между
горбами появляется зазор – нулевой ток (рис.4-б).
У природы ни что не меняется стремительно, на
графике не должно быть изломов и пустот. Изломы приводят к возникновению высокочастотных колебаний в
электрических цепях устройства, так как каждый элемент
обладает и емкость, и индуктивность, то есть, является
колебательным контуром. Что будет представлять собой
переходный процесс, предвидеть сложно, слишком много
факторов на него влияют. Поэтому его лучше не допускать, для чего достаточно установить емкость С1. Если бы
не было утечки тока через амперметр, напряжение на
конденсаторе достигло амплитудного и стабилизировалось. В действительности напряжение будет пульсирующим, как показано на рис.4-в. dU – пульсация, которая не
может быть нулевой. На рис.4-г показан ток в обмотке L1,
а на рис.4-д – ток амперметра. Он мало похож на ток, который протекал бы через обмотку, если подключить к
ней амперметр электромагнитного (первого) типа.
Ток в магнитоэлектрическом амперметре формируется электроникой клещей, которая не может быть у всех приборов одинаковой. Это и не нужно, когда отклонение тока от
синусоиды мало. Но во многих электрических сетях дело обстоит совсем не так. Причина
– внедрение тиристорных систем управления мощными устройствами. Ошибка в измерении возникает потому, что тарировка проводится на синусоидальном токе, а работать
прибор вынужден с формой, которая преобразуется электроникой совсем по другим законам.
Предположим, тиристоры начинают пропускать ток (включают нагрузку) при достижении пика напряжения. На рис.5 показано напряжение на амперметре. Так как макРис. 4
2
симальное не будет отличаться от того, которое соответствовало бы синусоидальному
напряжению, а минимальное немножко уменьшится (увеличится время разрядки конденсатора), то пульсация напряжения возрастет. Но среднее квадратичное значение напряжения изменится в сравнении с графиком рис.4-в далеко не вдвое. Следовательно, амперметр уменьшит показание, но оно не отразит истину.
Чтобы на отклонении стрелки отражалась не одна
амплитуда напряжения, но и время его воздействия, в схему
необходимо ввести дополнительный резистор R1, ограничивающий ток заряда (рис.6-а). Если напряжение на входе резистора будет намного превышать напряжение на амперметре, то можно говорить о влиянии на конечный результат
Рис. 5
комплексной величины – силы и времени воздействия. Ток
через амперметр сократится, но усилится его зависимость от замеряемого тока в кабеле.
Рис. 6
На рис.6-б можно заметить, что при сохранении углов наклона (подъема и спада)
напряжения на амперметре, среднее значение напряжения при полной синусоиде почти
вдвое выше, чем при половинной. Это хорошо. Резистор R1, с одной стороны, снижает погрешность измерения, с другой - увеличивает, потому как приходится работать с гораздо
меньшим током, а это всегда плохо.
В радиотехнике такое соединение резистора и конденсатора, как на схеме рис.6-а,
называют интегрирующей цепочкой. Но это условность. Хотя именно интегрирование
квадратичного значения тока может решить проблему полностью. Для этого обмотка L
должна быть подключена к микропроцессору, который с периодом менее 3х10-4 [с] записывает мгновенное значение напряжения, возводит в квадрат и приплюсовывает к вычисленным ранее. Действующее значение тока за какое-то время будет пропорционально величине, полученной умножением суммы на период опроса, и делением результата на время суммирования.
Используемая нами схема намного сложней, изображенной на рис.6, но без процессора. Перед тем, как менять электронику токовых клещей, необходимо разобраться в следующем: для чего устанавливаются в электрошкафы стрелочные приборы? Передавать
информацию они не могут, в отличии от цифровых систем, а преобразование тока (напряжения) может быть выполнено ограниченным числом аналого-цифровых преобразователей, которые все не могут работать с измеряемой величиной непосредственно. Значит,
напряжение, например, следует подготовить под входные параметры преобразователя
(0...2 В). Появляются в измерительной системе элементы, которые рассчитываются исходя
из синусоидальности тока. Мы возвращаемся к началу и можем догадываться, что значение тока, передаваемого диспетчеру, не соответствует показаниям стрелочного амперметра, работающего параллельно.
Не следует забывать о том, что в цепях с индуктивной нагрузкой ток не определяет
однозначно потребляемую, так называемую – активную, мощность. есть ли смысл снижать погрешность его измерения до десятых долей процента?
Гл. инженер ООО «Квантор-Т» Кимерал А.Е. 01.07.10
3