Пристрій для вимірювання електричного струму, датчик струму, електричний розчіплювач та розмикальний пристрій,які включають в себе такий пристрій для вимірювання

1. Пристрій для вимірювання струму типу Роговського, що включає в себе щонайменше три котушки (2), які електрично з'єднані послідовно та утворюють замкнений багатокутний контур, що оточує провідник струму або лінію (7) для здійснення вимірювання струму, який відрізняється тим, що місцева індуктивність щонайменше одного з кінців (А) згаданих котушок (2) вища за місцеву індуктивність на центральній частині (В) згаданих котушок. 2. Пристрій для вимірювання струму за п. 1, який відрізняється тим, що місцева індуктивність з обох кінців (А) котушок (2) вища за місцеву індуктивність на центральній частині (В) згаданих котушок. 3. Пристрій для вимірювання струму за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що кінці (А) котушок (2), місцева індуктивність яких вища за місцеву індуктивність центральної частини (В), мають більшу кількість витків (8) дроту на одиницю довжини, ніж кількість витків (8) дроту на одиницю довжини на центральній частині (В) згаданих котушок. 2 (19) 1 3 90446 4 12. Електричний розчіплювач (40), що включає в 13. Розмикальний пристрій (50), що включає в сесебе засіб (29) обробки даних, який відрізняється бе механізм (32) розмикання електричних контактим, що цей засіб (29) обробки даних з'єднаний тів (30) та реле (31), з'єднані з розчіплювачем (40), який відрізняється тим, що розчіплювач являє щонайменше з одним пристроєм (1) для вимірювання струму за попередніми пунктами для отрисобою розчіплювач за п. 12, який включає в себе мання щонайменше одного сигналу, який характепристрій (1) для вимірювання струму за п. 1-9. ризує струм первинного кола. Винахід має відношення до пристроїв для вимірювання електричного струму типу Роговського, що включають в себе щонайменше три котушки, які електрично з'єднані послідовно та утворюють замкнений багатокутний контур і призначені для оточення провідника для здійснення вимірювання струму. Застосування пристроїв для вимірювання струму, що включають в себе індуктивні датчики типу Роговського, широко описане в літературі. Пристрої для вимірювання електричного струму типу Роговського включають в себе основу, виконану з немагнітного матеріалу, яка розміщена навколо провідника струму або лінії, якими проходить вимірюваний струм. Провідний дріт намотується на цю основу, утворюючи вторинну обмотку. Конструкція являє собою трансформатор, у якому згадані провідник струму або лінія утворюють первинну обмотку, а згадана вторинна обмотка підводить вимірюваний сигнал. Напруга, що утворюється на виводах цієї вторинної обмотки, прямо пропорційна силі електричного струму, який проходить провідником струму або лінією. Відсутність жодного магнітного осердя, яке піддається насиченню, дозволяє досягти широкого діапазону вимірювання. Для досягнення незалежності вимірювання напруги від розташування провідника на основі, а також заглушування впливу інших провідників, розміщених поблизу основи, кількість витків на одиницю довжини повинна бути постійною по усій довжині котушки, а витки повинні прилягати один до одного. Певні технічні рішення (US 4,611,191, WO 01/57,543 А1) включають в себе котушки у формі тороїдальних соленоїдів. Електричний дріт може при цьому бути намотаний на тороїдальну непровідну основу круглого або прямокутного поперечного перерізу. Але хоча вони є дуже ефективними, технічні рішення із застосуванням замкненого тороїду є складними для промислового виробництва внаслідок геометричних характеристик тороїду. Намотування тороїду в дійсності залишається складним, особливо якщо розміри пристроїв для вимірювання електричного струму малі. Для усунення цих проблем здійснення, інші технічні рішення полягають у застосуванні складених конструкцій із декількох котушок, електрично з'єднаних послідовно та розташованих у вигляді багатокутного контуру. Кожна зі сторін багатокутника у такому випадку утворена котушкою лінійної або близької до лінійної форми. Взагалі чим більша кількість котушок застосована, тим ближча загальна форма цього багатокутника до циліндричного тороїду (US 3,262,6291, DE19,731,170). З метою оптимізації технологічних характеристик для промислового виробництва багатокутника можуть бути запроваджені технічні рішення із застосуванням багатокутних контурів із чотирма сторонами, що мають квадратну або прямокутну форму (ЕР 209,415, FR 2,507,811, DE 2,432,919). Як показано на Фіг.1, пристрій 1 для вимірювання струму у такому випадку утворений чотирма лінійними котушками 2, електрично з'єднаними послідовно, поздовжні осі Y яких розташовані у одній радіальній площині. Первинний провідник 7, на якому здійснюється вимірювання струму, розташований всередині пристрою для вимірювання струму у напрямку, перпендикулярному до згаданої радіальної площини цього пристрою 1 для вимірювання струму. Однак ці технічні рішення у деяких випадках мають недолік, який полягає у надмірній чутливості до явищ ззовні багатокутника. Вимірювання струму, що проходить провідником 7, можуть таким чином бути зроблені неправильно. В дійсності, якщо декілька котушок 2 застосовані для утворення замкненого пристрою для вимірювання струму багатокутної форми, існують зони Н магнітної неоднорідності поблизу кожного з'єднання між двома котушками 2. На відміну від пристроїв для вимірювання струму, які включають в себе соленоїд ідеальної тороїдальної форми, кількість витків на одиницю довжини більше не є постійною на усій довжині намотування цього вимірювального пристрою. Конструктивна неоднорідність існує внаслідок того, що останній виток котушки 2 не прилягає до першого витка котушки 2, яка безпосередньо приєднана до неї. Коефіцієнт взаємної індукції М0 між цим пристроєм для вимірювання струму та колом зовнішнього навантаження не дорівнює нулю. Ця конструктивна неоднорідність між двома котушками зростає разом зі зменшенням внутрішнього кута між двома котушками цього багатокутника. Внутрішні кути між котушками пристрою для вимірювання струму квадратної або прямокутної форми багатокутника становлять 90 градусів. Окремі відомі технічні рішення (ЕР 0,838,686) компенсують ці неоднорідності таким розташуванням чотирьох котушок, що кожний кінець котушки частково або повністю перекривається сусідньою котушкою. Це технічне рішення не повністю вирішує проблеми, що стосуються впливу зовнішніх магнітних потоків на вимірювання струму. Крім того, виникає проблема монтажу котушок на їхній основі. У інших технічних рішеннях застосовуються елементи магнітних осердь, розміщені тільки у місцях конструктивних неоднорідностей. І хоча 5 90446 6 вони зменшують вплив зовнішніх магнітних потореле, приєднані до описаного вище розчіплювача, ків, такі осердя мають межу насичення за наявноса розчіплювач включає в себе описаний вище приті сильних струмів. Крім того, наявність цих осердь стрій для вимірювання струму. ускладнює з'єднання котушок одна з одною. Інші переваги та характерні ознаки стають Таким чином, метою винаходу є усунення цих більш зрозумілими з подальшого опису одного з недоліків існуючих пристроїв шляхом запропонуваріантів здійснення винаходу, наведеного лише вання пристрою для вимірювання електричного як необмежувальний приклад та показаного на струму, який є менш чутливим до зовнішніх пересупровідних кресленнях: шкод, має менший об'єм та є простішим для проНа Фіг.1 показаний вид зверху пристрою для мислового виробництва. вимірювання струму відомого типу; Пристрій для вимірювання струму згідно з цим На Фіг.2 показаний схематичний вид зверху винаходом включає в себе котушки, місцева індукпристрою для вимірювання струму з чотирма котивність щонайменше поблизу одного з кінців яких тушками згідно з варіантом здійснення винаходу, вище за місцеву індуктивність на центральній часякому віддають перевагу; тині згаданих котушок. На Фіг.3 показаний вид у збільшеному масшЗа варіантом, якому віддають перевагу, місцетабі Фіг.2, що відповідає зоні з'єднання двох котува індуктивність з обох кінців згаданих котушок шок; вище за місцеву індуктивність на центральній часНа Фіг.4 показаний вид збоку пристрою для тині згаданих котушок. вимірювання струму, зображеного на Фіг.2; За варіантом, якому віддають перевагу, ці кінці На Фіг.5-7 показані інші варіанти здійснення котушок, місцеві індуктивності яких вище за місцеві пристрою для вимірювання струму, зображеного індуктивності центральної частини, мають більшу на Фіг.2; кількість витків дроту на одиницю довжини, ніж На Фіг.8-10 показаний вид у перспективі котукількість витків дроту на одиницю довжини на шок у процесі складання на основі; центральній частині згаданих котушок. На Фіг.11 показаний один із варіантів здійсЗа варіантом, якому віддають перевагу, ці кінці нення, у якому пристрій для вимірювання струму мають більшу кількість шарів витків дроту, ніж кізгідно з винаходом об'єднаний з магнітним датчилькість шарів витків дроту на центральній частині ком струму; згаданих котушок, а крок обмотки цих витків залиНа Фіг.12 показана блок-схема розмикального шається постійним. пристрою, що включає в себе датчики струму згідУ одному з варіантів здійснення ці кінці мають но з винаходом. в одному й тому самому шарі витків менший крок Детальний опис одного з варіантів здійснення обмотки витків, ніж крок обмотки витків на центравинаходу льній частині згаданих котушок. Пристрій 1 для вимірювання струму включає в За варіантом, якому віддають перевагу, змісебе принаймні три лінійні котушки 2, які електринювання кількості витків поблизу двох кінців котучно з'єднані послідовно та утворюють замкнений шок здійснюється на відстані, що становить від багатокутний контур. Згідно з варіантом здійснен10% до 20% загальної довжини котушки. ня винаходу, якому віддають перевагу і який покаЗгідно з розвитком винаходу, кінці котушок, мізано на Фіг.2, пристрій 1 для вимірювання струму сцева індуктивність яких вище за місцеву індуктивключає в себе чотири лінійні котушки 2, розташовність центральної частини, мають витки більшої вані у одній площині. Поздовжня вісь Y кожної кодовжини, ніж витки, на центральній частині згадатушки є перпендикулярною до відповідних поздоних котушок. вжніх осей двох котушок, які конструктивно У одному з варіантів здійснення циліндричні розташовані біля неї. поверхні кінців двох котушок частково перекриті Кожна котушка складається з порожнистого сусідніми котушками. жорсткого або напівжорсткого каркаса лінійної фоПристрій для вимірювання струму за варіанрми, який виготовлений з немагнітного матеріалу том здійснення, якому віддають перевагу, утворета має циліндричний, квадратний, прямокутний ний чотирма котушками, розташованими так, щоб або яйцеподібний поперечний переріз. На каркас утворити замкнений контур. намотаний металевий дріт, виготовлений з міді За варіантом, якому віддають перевагу, згадаабо сплаву на основі міді. ний контур має квадратну або прямокутну форму. Загалом каркаси відомих датчиків мають поКомбінований датчик струму включає в себе перечні перерізи круглої форми. Однак така формагнітний датчик струму, що має котушку, намотама не забезпечує максимального потрібного попену навколо магнітопроводу, має описаний вище речного перерізу, коли простір або об'єм, пристрій для вимірювання струму, розташований передбачений для датчиків, є обмеженим. У цьому таким чином, що первинне коло згаданого магнітваріанті здійснення поперечний переріз каркасів ного датчика відповідає первинному колу згаданокотушок має прямокутну форму. Два фланці 3 розго пристрою для вимірювання струму. ташовані відповідно з двох кінців згаданих котушок Електричний розчіплювач включає в себе за2. сіб обробки даних, з'єднаний з принаймні одним Ці котушки 2 електрично з'єднані одна з одною описаним вище пристроєм для вимірювання струпослідовно. Кожна котушка закріплена на основі 5, му для отримання принаймні одного сигналу, який яка підтримує комплект із чотирьох котушок. Ця характеризує струм первинної обмотки. основа 5 має центральний отвір 6, який дозволяє Розмикальний пристрій, що включає в себе здійснити наскрізний прохід провідника струму або механізм розмикання електричних контактів та лінії 7, на яких виконується вимірювання струму. 7 90446 8 Цей провідник струму або лінія 7 утворюють перближче до обох кінців А. У цьому варіанті здійсвинне коло цього пристрою 1 для вимірювання нення додаткові котушки 4 мають довжину D, що струму. за варіантом, якому віддають перевагу, становить У варіанті здійснення, показаному на Фіг.8-10, від десяти до двадцяти процентів загальної довоснова 5 утворена друкованою платою. Таким чижини L котушки. ном, ця плата забезпечує як механічне закріпленНамотування дроту на усіх котушках за варіаня котушок 2, так і взаємне їх електричне з'єднаннтом, якому віддають перевагу, виконується з посня. Ця друкована плата також утворює зовнішні тійним кроком, наприклад, з витками, що прилягаз'єднання зі з'єднувальною шиною 10. Чотири коють один до одного. тушки 2 відповідно мають з'єднувальні контактні Згідно з першим альтернативним варіантом штирі 9, припаяні безпосередньо на доріжки 11 цієї здійснення, ефект додаткової котушки замінюється друкованої плати. ефектом від змінювання кроку намотування дроту Кожна котушка 2 може включати в себе декібіля кінців кожної котушки 2. В одному й тому салька шарів дроту. Намотування дроту на будьмому шарі дроту крок намотування, наявний місякий шар здійснюється з постійним кроком. Інакше цево біля двох кінців А котушок, фактично відрізкажучи, у шарі кількість витків 8 на одиницю довняється від кроку навивання, наявного місцево на жини є постійною. Крім того, ці витки за варіантом, центральній частині В згаданої котушки. Крок наякому віддають перевагу, прилягають один до одмотування дроту біля кінців А є меншим за той, що ного. є наявним місцево на центральній частині В котуКожна котушка 2 має або парну кількість шарів шки. Таким чином, без необхідності збільшувати дроту, і тоді з'єднувальні контактні штирі 9 розтакількість шарів, кількість витків 8 дроту на одиницю шовані з одного боку каркаса котушки, або непардовжини, наявних місцево біля кінців А, є більшою ну кількість шарів дроту, і тоді з'єднувальні контакза кількість тих витків дроту на одиницю довжини, тні штирі 9 розташовані з різних боків каркаса. У що наявні місцево на центральній частині В лінійпершому випадку з'єднувальні провідні доріжки 11 ної котушки 2. з'єднувальних контактних штирів 9 сусідніх котуЗгідно з другим альтернативним варіантом шок мають довжину, що по суті є рівнозначною здійснення, показаним на Фіг.5 та Фіг.6, конструкдовжині каркаса. У другому випадку ця друкована тивна неоднорідність може бути компенсована плата за варіантом, якому віддають перевагу, має шляхом змінювання довжини дроту витка котушки нейтралізуючу провідну доріжку, яка по суті оточує поблизу кінців А котушок 2. У такому випадку кожцентральний отвір 6. Ця доріжка змонтована елекна котушка 2 виготовлена на немагнітному каркасі, трично послідовно, а магнітно зустрічно з обмотпоперечний переріз якого не є постійним по всій ками таким чином, щоб нейтралізувати ефект педовжині L. Поперечний переріз цього каркасу блирешкод від зовнішніх магнітних полів. жче до двох кінців А повинен бути більшим за поВнаслідок розташування чотирьох котушок 2 перечний переріз центральної частини В. Може квадратом напевно існують чотири зони Н консбути передбачена конструкція, складена з двох труктивної неоднорідності там, де нема витків 8. об'ємних тіл у формі зрізаних конусів, розташованих таким чином, що великі основи цих конусів Внутрішні кути , які утворені між котушками багавідповідають поверхням, що знаходяться біля кінтокутника, дорівнюють 90 градусів. ців А каркаса. Інше рішення могло б полягати у В ідеальному варіанті, як схематично показано застосуванні каркаса, поперечний переріз якого на Фіг.3, витки 88 слід розташовувати у зоні Н так, змінюється від одного кінця А до іншого за профіщоб запобігти будь-якій неоднорідності вздовж лем, що відповідає частині кола або параболи. периметра датчика. Кількість витків на одиницю Згідно з іншим альтернативним варіантом довжини у цих частинах дуги, таким чином, зостаздійснення, показаним на Фіг.7, первісна конструквалася б близькою до тієї, яка є у лінійних частитивна неоднорідність компенсована з одного боку нах. шляхом підвищення місцевої індуктивності на кінЗ метою обмеження негативного впливу внацях А котушок, а з іншого боку шляхом просторослідок відсутності витків у цих частинах датчика вого зміщення двох котушок. Електрична компенвинахід передбачає розміщення компенсаційних сація таким чином об'єднана з геометричною засобів неоднорідних зон на цьому датчику. Суть компенсацією. Ця геометрична компенсація поляцих компенсаційних засобів полягає у змінюванні гає у розташуванні двох паралельних котушок таіндуктивності котушок місцево біля своїх відповідким чином, що їх кінець А частково перекриває них кінців. Винахід фактично полягає у підвищені циліндричні поверхні сусідніх котушок. індуктивності котушок 2 місцево біля їхніх кінців А. Зрозуміло, що може бути передбачене об'єдТобто місцева індуктивність біля кінців А є більнання цих чотирьох варіантів здійснення винаходу шою, ніж та, що наявна місцево на центральній один з одним. В дійсності, наприклад, може бути частині В згаданих котушок 2. передбачене забезпечення додатковими котушкаТаким чином, згідно з варіантом здійснення ми кінців А котушок 2 з обмотками, які мають змінвинаходу, якому віддають перевагу, пристрій ний крок, або передбачити котушки, що мають включає в себе котушки 2 з обмотками з додаткозмінний поперечний переріз та обмотки зі змінним вих витків на їхніх двох кінцях А. У цьому варіанті кроком. Крім того, у одному пристрої 1 для виміздійснення конструктивна неоднорідність згладжурювання струму можуть бути застосовані котушки ється шляхом електричної компенсації. Кількість відповідно виконані згідно з різними варіантами витків 8, доданих до обох кінців А, приблизно доріздійснення, описаними вище. внює 1/(корінь з 2) від кількості витків, відсутніх у зоні Н. Ці додаткові котушки 4 виконані якомога 9 90446 10 Крім того, рішення, описані вище, забезпечудля вимірювання струму згідно з цим винаходом ютьдля усіх кінців А усіх котушок 2 наявність зміпідключений до засобу 29 обробки даних. Цей заненої місцевої індуктивності. Неоднорідність між сіб 29 обробки даних як такий живиться від блока двома котушками 2, таким чином, компенсується 28 живлення. Як показано на Фіг.12, кожен з декізавдяки конструктивному або електричному змількох електричних відгалужень системи може нюванню відповідних кінців А цих двох котушок 2. включати в себе пристрій для вимірювання струму Також може бути передбачене змінювання тільки типу Роговського згідно з цим винаходом, а також одного кінця А з двох кінців А двох котушок 2. На магнітний датчик струму. практиці для усіх котушок 2 пристрою 1 для виміУ випадку, якщо засіб 29 обробки даних прирювання струму тільки один кінець А з двох буде йняв через пристрої 1 для вимірювання струму мати змінену місцеву індуктивність. інформацію про несправність, яка виникла щонайЗагалом, небезпечні впливи або зовнішні пеменше на одній з ліній 25, команда керування на решкоди мають більший вплив на вимірювання розмикання контактів 30 може бути надіслана до струму, коли неоднорідні зони Н є великими. Інакмеханізму 32 розмикання через реле 31. Як показано на Фіг.11, магнітний датчик струму ше кажучи, чим менший внутрішній кут між двопо суті складається з котушки 23, розташованої на ма котушками, наприклад, менше ніж 90 градусів, магнітопроводі 22, утворюючи таким чином втотим більшою є зона конструктивної неоднорідності ринну обмотку трансформатора струму. Первинне Н та більш відчутними є негативні впливи. Таким коло утворене провідником електричного струму чином, засоби компенсації згідно з винаходом або лінією 25, на яких встановлено вузол 20. Цей більш спрямовано призначені для датчиків струму, провідник електричного струму або лінія 25, яку не що мають котушки, розташовані у вигляді багатопоказано, розміщують у отворі 6 магнітопроводу кутного контуру, який має принаймні вісім сторін. 22. Крім того, згідно з цим варіантом здійснення, Для багатокутників, які мають більш ніж вісім стопервинне коло магнітного датчика струму також рін, оскільки зони неоднорідності Н є відносно мавідповідає первинному колу пристрою 1 для вимілими, необхідність у засобах компенсації згаданих рювання струму згідно з винаходом. Чотири лінійні стикових зон є меншою. котушки 2, які встановлені послідовно та утворюПристрій 1 для вимірювання струму згідно з ріють квадрат, фактично розташовані навколо отвозними варіантами здійснення винаходу, зокрема, ру 6, через який проходить згаданий провідник призначений для об'єднання з магнітним датчиком електричного струму або лінія 25. Друкована пластруму з утворенням таким чином комбінованого та 5, що виконує функцію основи для цих чотирьох датчика 20 струму, що складається з магнітного котушок, застосовується для електричного з'єддатчика та пристрою 1 для вимірювання струму нання згаданих котушок, а також для електричного типу Роговського. з'єднання котушки 23. Крім того, може бути передЦей вузол 20 може в свою чергу бути включебачене застосування однієї з'єднувальної шини 10 ний до складу електричного розчіплювача 40, придля обох датчиків. значеного для керування розмикальним пристроЦя конфігурація дозволяє значно зменшити єм, таким як автоматичний вимикач 50. Цей габаритні розміри вузла та полегшити монтаж автоматичний вимикач 50 встановлений на провікомбінованого датчика 20 струму такого типу у дниках електричного струму або лініях 25. Магнітні електричних розчіплювачах 40. датчики струму у такому випадку підключені до блока 28 живлення цього розчіплювача. Пристрій 1 11 90446 12 13 90446 14 15 90446 16 17 90446 18 19 Комп’ютерна верстка В. Мацело 90446 Підписне 20 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601