Способ измерения тока в проводнике с помощью герконов

Изобретение относится к энергетике, а именно к измерительной технике и может быть использовано для измерения токов в электроустановках.

Известен способ измерения тока в проводнике [Хомерике О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - С. 7-19] путем фиксации напряжения на выходе датчика Холла, установленного вблизи проводника, при котором по напряжению определяют величину магнитной индукции, создавшей его, а по последней - величину тока в проводнике.

Однако величина контролируемого напряжения незначительна и зависит от температуры окружающей среды, что требует дополнительного усиления сигнала и компенсации температурных погрешностей. В конечном итоге это ведет к снижению точности измерения тока.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения тока в проводнике с помощью герконов [RU 2397499 C2, МПК G01R19/30 (2006.01), опубл. 20.08.2010], при котором два геркона с нормально разомкнутыми контактами устанавливают вблизи проводника. Их настраивают так, чтобы они срабатывали и замыкали контакты при токе $$I_{СР1}$$ , $$I_{СР2}$$ , соответственно, в проводнике, возвращались в исходное положение и размыкали контакты при токе $$I_{В1}$$ и $$I_{В2}$$ , соответственно. Второй геркон настраивают так, чтобы он срабатывал при токе $$I_{СР1}$$ = $$I_{СР2}$$ , а возвращался при токе $$I_{В1}$$ < $$I_{В2}$$ . Измеряют время $$t_1^{}$$ между моментами размыкания контактов герконов после их срабатывания и определяют амплитуду измеряемого тока по формуле:

$$I_m=I_{B1}\cdot \sqrt{1+{\left(I_{B2}/I_{B1}\right)}^2-2\cdot \left(I_{B2}/I_{B1}\right)\cdot \cos \omega t_1^{}}/\sin \omega t_1^{}$$ ,

где

$$I_m$$ - амплитуда измеряемого тока,

$$\omega$$ - угловая частота тока,

$$I_{В1}$$ , $$I_{В2}$$ - токи возврата соответственно первого и второго герконов, которые создают магнитное поле, достаточное для возврата контактов герконов [Клецель М.Я., Мусин В.В. О построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока //Электротехника. - 1987. - №4].

$$t_1^{}$$ - время между моментами размыкания контактов герконов после их срабатывания.

Недостатком способа является зона нечувствительности при измерении тока в диапазоне $$I_{СР2}$$ > $$I_m$$ > $$I_{СР1}$$ и невозможности добиться равенства $$I_{СР1}$$ = $$I_{СР2}$$ , поскольку герконы даже одного типа с одинаковым током $$I_{TP}$$ трогания имеют различные зависимости времени $$t_{CP}^{}$$ срабатывания от кратности К (К= $$I_m$$ / $$I_{СР1}$$ ) [Клецель М.Я., Алишев Ж.Р., Мануковский А.В., Мусин В.В. Свойства герконов при использовании их в релейной защите //Электричество. - 1993. - №9].

Задачей изобретения является повышение надежности, за счет исключения зоны нечувствительности.

Это достигается тем, что в способе измерения тока в проводнике с помощью герконов, также как в прототипе, два геркона с нормально разомкнутыми контактами устанавливают вблизи проводника, настраивают их так, чтобы они замыкали контакты при токах срабатывания $$I_{СР1}$$ и $$I_{СР2}$$ и размыкали контакты при токах возврата $$I_{В1}$$ и $$I_{В2}$$ , измеряют время $$t_1^{}$$ между моментами размыкания контактов герконов после их срабатывания и определяют амплитуду измеряемого тока по формуле:

$$I_{m1}=\sqrt{I_{B1}^2+I_{B2}^2-2\cdot I_{B1}\cdot I_{B2}\cdot \cos \omega t_1^{}}/\sin \omega t_1^{}$$ , (1)

где $$\omega$$ - угловая частота тока.

Согласно изобретению герконы устанавливают на безопасных расстояниях h₁ и h₂ от проводника, и настраивают герконы так, чтобы они срабатывали при токах срабатывания $$I_{СР2}$$ > $$I_{СР1}$$ и возвращались в исходное положение при токах возврата $$I_{В2}$$ > $$I_{В1}$$ , измеряют время замкнутого состояния $$t_2^{}$$ контактов первого геркона и, если второй геркон не срабатывает, определяют амплитуду тока по формуле:

$$I_{m2}=\sqrt{I_{СР1}^2+I_{B1}^2-2\cdot I_{СР1}\cdot I_{B1}\cdot \cos \omega t_2^{}}/\sin \omega t_2^{}$$ , (2)

если срабатывают оба геркона, то измеряют время $$t_2^{}$$ замкнутого состояния контактов первого геркона и время $$t_1^{}$$ между моментами размыкания контактов герконов после их срабатывания, а амплитуду тока для этого случая определяют как среднее значение амплитуд тока $$I_{m1}$$ и $$I_{m2}$$ .

По сравнению с прототипом предложенным способом можно измерять ток в диапазоне $$I_{СР2}$$ > $$I_m$$ > $$I_{СР1}$$ . Это исключает зону нечувствительности и повышает надежность измерения тока в проводнике. Кроме того, такой способ облегчает выбор герконов, так как не нужно подбирать равные токи срабатывания первого и второго герконов.

На фиг. 1 приведено устройство для реализации предлагаемого способа.

На фиг. 2 представлены: кривая 1 - полупериод кривой измеряемого тока при $$I_m$$ > $$I_{СР2}$$ > $$I_{СР1}$$ ; кривая 2 - полупериод кривой измеряемого тока при $$I_{СР2}$$ > $$I_m$$ > $$I_{СР1}$$ .

Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства, в котором первый 1 и второй 2 герконы (фиг. 1) с нормально разомкнутыми контактами размещены в магнитном поле проводника 3 с током и подключены к микроконтроллеру 4 (МК).

Могут быть использованы герконы типа МКА-14103 группы А производителя ОАО "Рязанского завода металлокерамических приборов". Микроконтроллер 4 (МК) может быть выполнен на микроконтроллере серии 51 производителя amtel AT89S53.

Способ осуществляют следующим образом.

Первый 1 и второй 2 герконы с нормально разомкнутыми контактами устанавливают вблизи проводника 3 на безопасном расстоянии. Например, расстояние h₁ от проводника 3 до первого геркона 1 равно 0,1 м и расстояние h₂ до второго геркона 2 составляет 0,15 м. Угол между перпендикулярной линией продольной оси проводника 3 и продольной осью первого геркона 1 и второго геркона 2 составляет 90^° градусов. Герконы подобраны так, чтобы токи срабатывания $$I_{СР1}$$ , $$I_{СР2}$$ и возврата $$I_{В1}$$ , $$I_{В2}$$ первого 1 и второго 2 герконов соответствовали неравенствам:

$$I_{СР2}$$ > $$I_{СР1}$$ , а $$I_{В2}$$ > $$I_{В1}$$ .

В проводнике 3 протекает синусоидальный ток с амплитудой $${\text{I}}_{\text{m}}$$ . При увеличении тока до мгновенной величины (фиг. 2, кривая 1), являющейся током срабатывания $${\text{I}}_{\text{СР1}}$$ =77.88А первого геркона 1, замыкаются разомкнутые до этого контакты, которые срабатывают. При уменьшении тока до мгновенной величины, являющийся током возврата $$I_{B1}$$ =30,3А первого геркона 1, замыкаются разомкнутые до этого контакты, которые возвращаются в исходное положение, размыкая их. Это происходит под действием созданного током $${\text{I}}_{\text{СР1}}$$ / $$I_{B1}$$ магнитного поля напряженностью срабатывания $${\overline{\text{H}}}_{\text{СР1}}$$ /возврата $${\overline{H}}_{В1}$$ в зазоре между пластинами первого геркона 1, направленной вдоль его продольной оси. Второй геркон 2 замыкает контакты при токе - $$I_{СР2}$$ =176,8А, а размыкает при токе - $$I_{В2}$$ =67,14А.

Измерение тока в проводнике 3 с помощью герконов 1 и 2 осуществляют следующим образом:

1. При увеличении тока в проводнике 3 до величины тока срабатывания $${\text{I}}_{\text{СР1}}$$ (фиг. 2, кривая 2) первый геркон 1 срабатывает, его контакты замыкаются, запускается первый таймер внутри микроконтроллера 4 (МК) и начинается отчет времени $$t_2^{}$$ . Если ток не увеличился до $$I_{СР2}$$ , то второй геркон 2 не срабатывает, так как $$I_{СР2}$$ > $$I_m$$ > $$I_{СР1}$$ , его контакты не замкнутся и не будет их возврата. Фиксируется время $$t_2^{}$$ =0,6 мс в момент размыкания контактов первого геркона 1 при токе возврата $$I_{B1}$$ , и микроконтроллер 4 рассчитывает амплитуду тока по формуле (2):

$$I_{m2}=\sqrt{{77.88}_{}^2+{30.3}_{}^2-2\cdot 77.88\cdot 30.3\cdot \cos \omega \cdot 0.0006}/\sin \omega \cdot 0.0006=258.5$$ А.

2. При увеличении тока в проводнике 3 до величины тока срабатывания $${\text{I}}_{\text{СР1}}$$ , фиксируют первым таймером внутри микроконтроллера 4 время $$t_2^{}$$ , и если ток в проводнике 3 увеличивается до тока срабатывания $$I_{СР2}$$ , то срабатывает второй геркон 2 (фиг. 2, кривая 1). Второй таймер внутри микроконтроллера 4 (МК) в момент возврата контактов второго геркона 2 начинает отсчет времени, который заканчивается, когда происходит возврат контактов первого геркона 1. Второй таймер зафиксировал время $$t_1^{}$$ =1 мкс, а первый таймер время $$t_2^{}$$ =105 мкс. С помощью микроконтроллера 4 (МК) определяют амплитуды тока по формулам (1) и (2):

$$I_{m1}=\sqrt{{67.14}_{}^2+{30.3}_{}^2-2\cdot 67.14\cdot 30.3\cdot \cos \omega \cdot 0.000001}/\sin \omega \cdot 0.000001=1484.2$$ А

$$I_{m2}=\sqrt{{77.88}_{}^2+{30.3}_{}^2-2\cdot 77.88\cdot 30.3\cdot \cos \omega \cdot 0.000105}/\sin \omega \cdot 0.000105=1443.5$$ А.

Используя среднее значение амплитуд тока $$I_{m1}$$ и $$I_{m2}$$ определяют амплитуду тока $$I_m$$ =(1484.2+1443.5)/2=1463.85.

Способ измерения тока в проводнике с помощью герконов, при котором два геркона с нормально разомкнутыми контактами устанавливают вблизи проводника, настраивают их так, чтобы они замыкали контакты при токах срабатывания $$I_{СР1}$$ и $$I_{СР2}$$ и размыкали контакты при токах возврата $$I_{В1}$$ и $$I_{В2}$$ , измеряют время $$t_1^{}$$ между моментами размыкания контактов герконов после их срабатывания и определяют амплитуду измеряемого тока по формуле:
$$I_{m1}=\sqrt{I_{B1}^2+I_{B2}^2-2\cdot I_{B1}\cdot I_{B2}\cdot \cos \omega t_1^{}}/\sin \omega t_1^{}$$ ,
где $$\omega$$ - угловая частота тока,
отличающийся тем, что герконы устанавливают на безопасных расстояниях h₁ и h₂ от проводника, и настраивают герконы так, чтобы они срабатывали при токах срабатывания $$I_{СР2}$$ > $$I_{СР1}$$ и возвращались в исходное положение при токах возврата $$I_{В2}$$ > $$I_{В1}$$ , измеряют время замкнутого состояния $$t_2^{}$$ контактов первого геркона и, если второй геркон не срабатывает, определяют амплитуду тока по формуле:
$$I_{m2}=\sqrt{I_{СР1}^2+I_{B1}^2-2\cdot I_{СР1}\cdot I_{B1}\cdot \cos \omega t_2^{}}/\sin \omega t_2^{}$$ ,
если срабатывают оба геркона, то измеряют время $$t_2^{}$$ замкнутого состояния контактов первого геркона и время $$t_1^{}$$ между моментами размыкания контактов герконов после их срабатывания, а амплитуду тока для этого случая определяют как среднее значение амплитуд тока $$I_{m1}$$ и $$I_{m2}$$ .