Измерение импульсных токов обычно сводится к осциллографической записи формы волны напряжения, возни
кающей на некотором, небольшом по величине, сопротивлении (шунте). Для неискажающей регистрации необходимо, чтобы сопротивление шунта при прохождении импульсного тока было таким же, как и на постоянном токе. Способ подключения шунта и его форма должны сводить к минимуму помехи на измерительную цепь от разрядного импульсного устройства.
Любые практически выполненные шунты обладают некоторой индуктивностью Lш, и поэтому при прохождении импульсного тока напряжение на шунте, если пренебречь его емкостью, будет иметь две составляющие:
(5-133)
При медленном изменении тока напряжение на шунте определится первым членом, а при быстром изменении — вторым.
Для уменьшения погрешностей в измерении индуктивность шунта необходимо уменьшать, но это уменьшение практически возможно лишь до определенного предела, после которого легче компенсировать индуктивность, чем уменьшить ее. Схема компенсации индуктивности шунта емкостью приведена на рис. 5-82. Здесь Lш и Rm — соответственно индуктивность и активное сопротивление шунта, а Сш—компенсирующая емкость, которой может быть и собственная емкость шунта.
При компенсации имеем
что выполнимо при условии
(5-134) и
(k—постоянная), т. е. идеальная компенсация возможна лишь при линейном нарастании тока.
Влияние индуктивности исключается в шунте, выполненном по типу моста Пашена (рис. 5-83).
Плечи моста R1=R4 и R2=R3 (но R1≠R2) имеют одинаковые индуктивности, поэтому падение напряжения между точками а и b вызывается только активным сопротивлением. Недостаток этого способа состоит в том, что ни один из зажимов шунта (а или b) не находится под нулевым потенциалом и подводку к осциллографу надо делать изолированными и экранированными проводами.
Ошибку измерения, связанную с наличием Lш, можно исключить и другим способом. Сначала снимается осциллограмма тока в шунте, обладающем некоторой индуктивностью Lш, зависящей от конфигурации и размеров шунта, и активным сопротивлением Rш.
Рис. 5-82. Схема компенсации индуктивности шунта емкостью.
Га
/?, R3
Рис. 5-83. Схема моста Пашена.
Затем осциллографируется ток в шунте той же формы и размеров, но с пренебрежительно малым сопротивлением, например, выполненным из меди (Rш≈0). Разность указанных осциллограмм даст истинную кривую тока, что также следует из (5-133).
Для уменьшения индуктивности шунты выполняют чаще всего из проволоки или ленты, сложенной бифилярно. Ленточные шунты обычно имеют меньшую индуктивность, чем проволочные, и, следовательно, более правильно воспроизводят форму кривой тока.
С целью экранирования измерительной цепи от помех применяются также трубчатые шунты; у них постоянная времени еще меньше, чем у пластинчатых.
При высоких частотах или крутых фронтах импульсов нужно считаться и с поверхностным эффектом. Для трубчатых и пластинчатых шунтов поверхностный эффект примерно одинаков. Уменьшение индуктивности и поверхностного эффекта можно получить за счет уменьшения толщины шунта, но это приводит к нежелательному нагреванию шунтов, а также к возможной деформации.
Конструкция шунта для токов до 466 ка, описанного Дюрнфордом и Рейнольдсом, показана на рис. 5-86. Внутренняя трубка диаметром 9,02 см с толщиной стенок 0,02 см изготовлена из материала, имеющего удельное сопротивление
49x10-6 Ом см и температурный коэффициент сопротивления 4· 10-5 на ГС. Наружная трубка изготовлена из листа меди толщиной 0,35 мм и изолирована от внутренней трубки листом слюды толщиной 0,13 мм. Внутренний бакелизированный цилиндр служит для крепления элементов шунта. Через него проходят контакты к внутренней поверхности элемента сопротивления. Номинальное сопротивление шунта
1,2х10-3 Ом. Изменение сопротивления при увеличении частоты вплоть до 3 МГц не превышает 2%. При токе 466 ка усилие, действующее на трубку, составляет 16,8 кГ/см2. Оно воспринимается бандажом из изолированной стальной проволоки диаметром 0,1 см.
Трубчатый шунт, состоящий из одной константановой трубки, применялся И. С. Стекольниковым для измерения токов до 500 ка. Длина трубки 25,25 см, диаметр 8 см, толщина стенок 0,25 мм, сопротивление 2 КГ3 Ом. Такой шунт имел большую индуктивность, чем коаксиальные шунты, описанные выше.
Измерение импульсных токов можно производить и при помощи пояса Роговского, представляющего обмотку, выполненную в виде тора, как показано на рис. 5-87. Искажения в записи тока будут несущественны, если где Rш— сопротивление шунта, установленного на выходе пояса; L2— индуктивность пояса.
Если п — число витков пояса, а I2— ток в шунте, то измеряемый ток
Пояс Роговского имеет то преимущество, что измерительная цепь электрически не связана с контуром, что уменьшает помехи.
Широкое распространение получил метод определения амплитудного значения тока с помощью ферромагнитных регистраторов. В магнитное поле исследуемого тока помещается небольшой стерженек 1 (ферромагнетик), расположенный вдоль магнитной силовой линии 2 (рис. 5-88). Чем больше ток 3, тем больше напряженность магнитного поля, тем больше остаточная намагниченность стерженька.
По закону полного тока напряженность ноля Н на расстоянии R от длинного провода будет:
(5-141)
Помещая в магнитное поле несколько стерженьков на расстояния R1, R2, R3 и т. д., можно более точно измерить меньшие токи с помощью стерженьков, расположенных ближе к проводу, большие — с помощью наиболее удаленных.
Рис. 5-88. Расположение магнитного регистратора относительно провода с током.
Рис. 5-87. Измерение импульсного тока с помощью пояса Роговского.
1—к электронному осциллографу.
С помощью двух стерженьков можно определить значение тока даже при перемене его направления. Так как намагниченность стерженька при изменении тока определяется петлей гистерезиса, то стержень, находящийся ближе к проводу, при изменении направления тока может полностью размагнититься и даже намагнититься в другом направлении, а наиболее удаленный стержень может сохранить намагниченность в первоначальном направлении.
Намагниченность стерженька не зависит от количества импульсов тока, прошедших по проводу, но определяется максимальной величиной импульсного тока и будет такой же, как при прохождении постоянного тока той же самой величины.
Стерженьки изготавливаются из материала с высокой остаточной намагниченностью, например из хромоуглеродистой стали. При больших скоростях нарастания тока остаточная намагниченность даже в указанных материалах может быть небольшой из-за возникающих вихревых токов.
Чтобы ослабить последние, стерженьки набираются из тонких пластин или проволок диаметром 0,2 мм или прессуются из смеси пластмасс с мелкими частицами стали.
Ферромагнитные регистраторы применяются для измерения больших импульсных токов и особенно широко для регистрации токов молнии. Они просты по устройству и дешевы в изготовлении. Это дает возможность устанавливать их на каждой опоре линии электропередачи в зонах, часто поражаемых молнией.
Рис. 5-89. Схема магнетометра.
Величина тока определяется по остаточной намагниченности стерженька баллистическим гальванометром или
магнетометром, схема которого показана на рис. 5-89. Магнитный регистратор 1 вводится в магнитную цепь магнетометра, отклонение стрелки которого (на угол α) пропорционально намагниченности и току Iк в подвижной катушке. Так как остаточная намагниченность практически не зависит от скорости изменения тока, то калибровку стерженьков, т. е. установление связи остаточной намагниченности и напряженности поля, можно производить и на постоянном токе.
По градуировочной кривой α=f(Iк) находят ток, который в намагничивающей катушке создавал ту же величину остаточной индукции Во, что и ток молнии. Зная ток Iк, расстояние регистратора от середины проводника, по которому протекал ток молнии Iм, и размеры катушки, при помощи которой производилась градуировка, находят ток молнии по формуле
(5-142)
где n — число витков катушки;
а—длина катушки;
b — диаметр катушки.
Измерение тока указанным методом дает точность (±5) —(±20)%.
Для регистрации формы волны тока молнии применяют прибор, называемый фульхронографом. Он состоит из алюминиевого диска, по краям которого имеются пазы с заложенными в них ферромагнетиками. При вращении диска ферромагнетики проходят через магнитное поле, создаваемое двумя катушками, расположенными «по обеим сторонам диска и обтекаемыми током молнии. Зная последовательность и интервалы времени прохождения стерженьков через катушки и анализируя их намагниченность, строят кривую зависимости тока от времени. Масштаб времени регулируется скоростью вращения диска. Для регистрации одиночных импульсов тока скорость вращения должна быть большой, для регистрации нескольких ударов молнии—более медленной.
Ферромагнетики используются также для определения максимальной крутизны волн, приходящих на подстанцию. Последовательно с конденсатором связи включается небольшая катушка, магнитный поток которой намагничивает стерженьки. Максимальная крутизна напряжения определяется как
где С — емкость конденсатора.
