Некоторые аспекты применения датчиков в счетчиках электроэнергии

Ашмаров Ю.В., генеральный директор ООО ВП АИСТ

Любой инженер, при конструировании электронного счетчика электроэнергии, сталкивается с необходимостью выбора первичных преобразователей. Если на микросхемы, применяемые в качестве измерительных, есть достаточно подробные описания, то для датчиков тока ощущается серьезный информационный голод. Данная статья содержит минимум формул, но предназначена для понимания принципа работы различных датчиков, их достоинств и недостатков, проведения расчетов и выбора элементов измерительных цепей.

Наиболее простыми датчиками напряжения и тока являются прецизионные резистивные датчики. Соответственно - делитель напряжения для измерения текущего напряжения и токовый шунт для измерения текущего тока.

Делитель напряжения рассчитывают таким образом, чтобы напряжение на его выходе составляло величину, рекомендованную для конкретной м.с. счетчика и не превосходило при крайнем значении входного напряжения максимально допустимое измеряемое напряжение (обычно +-400мВ или +-500мВ). Делитель включается между двумя проводами контролируемой цепи (ноль и фаза). Эффективное значение соответственно = 400мВ/1.732=231мВ.

Токовый шунт

Токовый шунт включают в разрыв фазного провода. Наряду с преимуществами - такими как невысокая стоимость и безразличие к постоянной составляющей тока в измеряемой цепи, шунт обладает серьезными недостатками:

  1. Выбор токового шунта требует компромисса, т.к. с одной стороны необходимо получить достаточное для измерения напряжение, т.е. сопротивление шунта должно быть достаточно высоким, а с другой стороны - сопротивление шунта должно быть минимально возможным, для того чтобы исключить внешнее несанкционированное шунтирование (хищение эл.энергии) и влияние на измеряемую цепь. Например: Для цепи с током нагрузки 5 (50)А можно применить шунт с Rш = 400 мкОм и, соответственно, с напряжением на нём для измерения всего 2 (20)мВ. Однако если посмотреть параметры м.сх для счетчиков - диапазон измерения составляет 500 мВ.
  2. Паразитный нагрев шунта за счет выделяемой на нем мощности. При сопротивлении шунта 400 мкОм и максимальном токе 50А выделяемая паразитная мощность равна 1 Вт. В условиях затрудненного охлаждения это вызывает серьезный нагрев шунта и изменение его сопротивления, что сказывается на точности замеров, не говоря о том, что растет потребление энергии всем счетчиком в целом.
  3. Измерительная схема находится под высоким напряжением, что затрудняет экранирование и требует повышенных мер по защите от поражения эл. током.
  4. Влияние шумов и импульсных помех на измерительную схему весьма критично, поэтому требуется применение специальных заградительных фильтров, которые вносят фазовые искажения при замере.
  5. Возрастание погрешности при воздействии высокочастотных сигналов за счет собственной индуктивности шунта.

Фото 1 — Токовый шунт

Трансформаторные датчики тока (измерительные трансформаторы тока)

Трансформаторные датчики тока дороже резистивных, но обладают рядом существенных преимуществ:

  1. Измерительные трансформаторы тока, по сравнению с шунтами, работают при значительно меньших падениях напряжения на входе и практически не потребляют.
  2. Измерительные трансформаторы тока обеспечивают гальваническую развязку между обмотками, поэтому измерительная схема не находится под высоким потенциалом как при использовании шунта и ее можно легко экранировать.
  3. Параметры трансформатора тока практически не изменяются во времени и не зависят от температуры.
  4. Коэффициент трансформации легко выдерживается при производстве и остается всегда постоянным.
  5. Трансформаторы тока прекрасно гасят импульсные помехи в измерительной цепи без применения дополнительных фильтров.
  6. Обеспечивают минимальный фазовый сдвиг между цепями измерения напряжения и тока, т.к. фильтрация измерительного сигнала производится за счет собственной индуктивности трансформатора.
  7. Простота измерения 3-х фазных токовых сигналов за счет гальванической развязки токовых проводов и измерительной части.

В качестве датчиков тока (измерительных трансформаторов тока) обычно используются трансформаторные датчики двух типов:

  1. Трансформатор нагруженный на прецизионный резистор - трансформатор тока. Обычно с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов. Выходное напряжение, снимаемое с резистора, пропорционально току первичной обмотки.
  2. Дифференцирующий трансформатор di/dt, работающий в режиме ударного возбуждения. Обычно без магнитопровода (воздушный). Выходное напряжение трансформатора пропорционально скорости изменения тока первичной обмотки.

Применение трансформаторного датчика тока в счетчиках электроэнергии может сочетаться с применением резистивного датчика напряжения или трансформатора напряжения. Обычно применяют резистивный делитель как наиболее дешевый.

Фото 1 — Трансформаторный датчик тока

Измерительный трансформатор тока с нагрузочным резистором

Идеальным режимом работы измерительного трансформатора тока является режим короткого замыкания его вторичной цепи. В этом режиме по вторичной цепи трансформатора тока протекает индуцированный ток, который создает в магнитопроводе вторичный поток магнитной индукции, компенсирующий поток магнитной индукции от тока первичной цепи. В результате в сердечнике, в стационарном режиме, устанавливается близкий к 0 суммарный поток магнитной индукции, индуцирующий во вторичной обмотке небольшую ЭДС, поддерживающую ток во вторичной цепи пропорционально значению тока первичной цепи.

Безопасность вторичных цепей при больших входных токах обеспечивается за счет вхождения сердечника в насыщение. Однако, если вторичную цепь трансформатора тока разомкнуть (аварийный режим), то исчезновение вторичного тока и созданного им магнитного потока приведет к значительному росту суммарного магнитного потока и соответственно увеличению ЭДС во вторичной обмотке до огромных значений, что может вызвать пробой изоляции. Кроме того, при большом магнитном потоке резко увеличиваются потери в сердечнике, что вызывает его разогрев.

Погрешности трансформаторного датчика тока складываются из токовой погрешности (погрешность действительного коэффициента трансформации) и угловой погрешности (разность фаз между токами первичной и вторичной цепи). Погрешности определяются двумя факторами: ограниченной магнитной проницаемостью магнитопровода и ненулевым значением сопротивления нагрузки. Вместе с тем погрешность трансформатора тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, т.е. больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также чем меньше его вторичная нагрузка (идеал - к.з. вторичной обмотки). Важно учитывать, что магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля, и практически постоянна только в области слабых полей. Поскольку трансформаторы работают в слабых результирующих полях, то для них необходимо использование материала с высокой начальной магнитной проницаемостью.


В качестве сердечников трансформаторных датчиков тока используются нанокристаллические или аморфные сплавы (фото 2, 3).

Нанокристаллические сплавы характеризуются практически постоянной высокой магнитной проницаемостью в слабых полях (до 0.1А/м) составляющей в среднем 40 000 - 60 000 (для электротехнической стали всего 400). Кроме того, эти сплавы обладают высокой остаточной магнитной индукцией и низкой коэрцитивной силой, т.е. очень узкой петлей гистерезиса, малыми потерями на вихревые токи (менее 5 Вт/кг); близкой к нулю магнитострикцией. В зависимости от термообработки сердечники могут обладать прямоугольной, линейной или округлой петлей гистерезиса. Магнитопроводы обеспечивают высокую линейность кривой намагниченности в слабых полях. Полное перемагничивание сердечника при подаче переменного тока происходит при малой напряженности магнитного поля за счет узкой петли гистерезиса. Магнитопроводы выпускаются в защитных пластмассовых контейнерах, обеспечивающих их защиту от механических воздействий.

Амплитудная характеристика датчика (фото 3, 4), в общем случае, нелинейная, что обусловлено нелинейностью кривой магнитной индукции сердечника. Нелинейность особенно ярко выражена в области начала насыщения и определяется материалом магнитопровода. Однако в области слабых магнитных полей (чистый синусоидальный сигнал и Rн=0) она практически линейна. Эта область и является рабочей при расчете трансформатора. В недорогих трансформаторах тока для диапазона 5(50)А, изготавливаемых на нанокристаллические сплавах 5БДСР (рисунок слева) или ГМ414 типоразмера ОЛ25х15х10 нелинейность характеристики не превышает 0.3%, что вполне достаточно для построения счетчиков 1 и 2 классов. Для трансформаторов более высокой точности применяют более дорогие аморфные сплавы, например 82В (рисунок справа).

Одним из недостатков трансформаторов тока является намагничивание сердечника постоянной составляющей тока, возникающей в контролируемой электрической цепи из-за асимметрии потребления нагрузки (например однополупериодный выпрямитель) в разных полуволнах. Нивелировать данный недостаток можно правильным выбором габаритов или материала магнитопровода трансформаторов тока. Постоянный магнитный поток, обусловленный разностью токов в первичной обмотке в разные полуволны, не компенсируется. В результате, в сердечнике трансформатора тока на переменный магнитный поток накладывается постоянный поток, который приводит к смещению реальной кривой намагничивания сердечника в область больших полей при той же потребляемой мощности в нагрузке. Однако следует заметить, что искажение образуются в области перехода тока через 0, при этом искажения в одной полуволне приводят к компенсационному искажению в другой, поэтому фактическая погрешность измерения потребляемой мощности в счетчике изменяется не столь радикально (фото 6).

Для борьбы с постоянным подмагничиванием можно применять трансформаторы тока с магнитопроводом из кобальтовых сплавов типа 86Т, которые начинают насыщаться при напряженности свыше 400А/м (для размера ОЛ25-15-10 это где-то в районе 25А постоянного тока в измеряемой цепи) или трансформаторы с сердечником, выполненным с немагнитным зазором. Что касается изготовления сердечника с зазором, то выполнить на сердечнике достаточно маленький немагнитный зазор (в районе 0,05-0,1 мм) достаточно сложно. Как альтернатива может применяться заполнение зазора порошком, при этом требования к величине зазора снижаются, но в конечном итоге себестоимость таких магнитопроводов все-таки значительна.

Запас по постоянному потоку можно достигнуть также уменьшением напряженности магнитного поля в сердечнике (для того же тока в первичной обмотке) за счет увеличения длины магнитопровода (величина напряженности магнитного потока прямо пропорциональна произведению кол-ва витков на ток и обратно пропорциональна средней длине магнитопровода и выражается формулой H=N1*I1/L). Однако увеличение длины магнитопровода вызывает снижение ЭДС самоиндукции, которая прямо пропорциональна площади сечения магнитопровода и обратно пропорциональна длине магнитопровода. Поэтому увеличение длины должно сопровождаться увеличением площади сечения - для сохранения прежнего значения индуктивности. Как известно, чем выше индуктивность вторичной обмотки, тем ниже скорость изменения тока и тем ниже наводимая ЭДС в первичной обмотке. Кроме того, большая индуктивность совместно с сопротивлением вторичной обмотки работает как НЧ фильтр в измерительной цепи (причем не вносящий фазовые искажения!) и, кроме того, снижает воздействие АЦП измерителя на измерительную цепь. В связи с этим требования к RC цепи в измерительном канале снижаются (его можно не ставить вовсе!), а, следовательно снижается фазовый сдвиг, вносимый этим фильтром между каналами измерения тока и напряжения.

Расчет измерительной цепи для конкретного трансформатора тока относительно несложен. Как было сказано выше, во вторичной обмотке трансформатора тока нагруженной на резистор Rb, протекает ток, трансформируемый из первичной обмотки и обусловленный явлением электромагнитной индукции. Активное сопротивление цепи вторичной обмотки равно Rb + R2 , где R2 - собственное сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока, а Rb - сопротивление нагрузочного резистора. Ток вторичной обмотки I2 ~ I1/N, где N - коэффициент трансформации (обычно 1000...3000).

Выходное напряжение датчика тока, определяемое падением напряжения на Rb:

U2=I2*Rb=I1*Rb/N. Эквивалентное напряжение на входе трансформатора U1=U2/N=I1*Rb/N^2

Таким образом, напряжение на первичной обмотке трансформатора тока пропорционально I1*Rb/N^2. т.е. в N^2 раз меньше, чем для шунта при одном и том же выходном напряжении для измерения. Поэтому влияние трансформаторного датчика тока на контролируемую цепь меньше чем в случае применения шунта. Например для трансформатора тока с N = 3000; U2 = 20мВ, I1 = 50 А (см. расчет для шунта выше по тексту) рассчитаем эквивалентное входное активное сопротивление. I2=50/3000=0.01667A. Rb=20мВ/16.67мА=1.2 Ом. Входное сопротивление идеального трансформатора равно Rb/N^2 = 1,2/3000^2=0,1333мкОм. Однако, с учетом собственного активного сопротивления вторичной обмотки (для трансформатора на магнитопроводе ОЛ25х15х10 примерно 400 Ом), эквивалентное активное входное сопротивление равно (Rb+R2)/N^2 = (1,2+400)/3000^2=44,6мкОм (сравните с 400 мкОм на шунте!). Оценивая величину Rb, можно увидеть, что оно ничтожно по сравнению с внутренним сопротивлением обмотки трансформатора. Таким образом можно увеличивать Rb для получения больших напряжений для последующего измерения, а следовательно повысить точность при замере малых токов, снизить влияние электрических шумов на измеряемую цепь и при этом практически не вносить дополнительных потерь в измеряемую цепь.

Фото 1

Фото 2 — Сердечники трансформаторных датчиков

Фото 3 — Сердечники трансформаторных датчиков

Фото 4 — Амплитудная характеристика датчиков

Фото 5 — Амплитудная характеристика датчиков

Фото 6

Дифференцирующий трансформатор тока

В настоящее время в качестве датчика тока получают распространение дифференцирующие трансформаторы (фото 1), используемые обычно без магнитного сердечника. Отсутствие сердечника обеспечивает линейность его амплитудной характеристики в широком диапазоне, а также исключает рассмотренное выше намагничивание постоянным током, но требует применение специальных микросхем с встроенным интегратором, например ADE7753/59 для однофазной или ADE7758 для трёхфазной цепи. Эти микросхемы допускают использование дифференцирующего трансформатора, шунта или трансформатора тока с нагрузкой Rb. Дифференцирующие трансформаторы обычно применяют для измерения больших токов, т.к. магнитный поток в них невелик (в m раз меньше чем в ферромагнетиках), а следовательно наводимая ЭДС так же мала (E= m0*N1*N2/L*dI/dt).

Для того что бы получить приемлемый для измерения сигнал, дифференцирующий трансформатор используют в режиме контура ударного возбуждения (а не в режиме трансформатора тока), при котором ЭДС на выходе пропорциональна dI/dt, для этого нагрузочный резистор Rb имеет достаточно большую величину. В этом режиме выходной сигнал с трансформатора не повторяет форму входного тока, но трансформатор имеет высокую чувствительность к изменению тока. Для того, чтобы не было искажений выходного сигнала применяют интегрирующую цепь (в ADE7753/59 для однофазной или ADE7758 для трёхфазной цепи она встроенная). В этом случае, обмотка трансформатора (L2 и R2), R и C интегратора образуют колебательный контур с затуханием и последовательно включенной ЭДС самоиндукции. В общем виде напряжение на конденсаторе: U=L2*I1/((R2+R)*C*N). Постоянную времени (R+R2)*C, (L2*C)^0.5 необходимо выбрать значительно превосходящую постоянную времени изменения входного тока.

Конструктивно оба трансформатора (тока и дифференцирующий) представляют собой тороидальные катушки (фото 2), причем для трансформатора тока- с магнитным сердечником. Катушки для трансформаторов обоих типов содержат обычно только вторичную обмотку, первичной обмоткой является провод (медная шина), продеваемый через центральное отверстие трансформатора.

Фото 1

Фото 2

Расчет и подбор трансформаторов по индивидуальным требованиям

Оставьте свои контактные данные и мы свяжемся с вами для обсуждения того, что вы хотите рассчитать и подобрать

Оставить заявку

Информационная рассылка для наших клиентов