Лекция 2 измерение больших импульсных токов

С большими импульсными токами (от десятков тысяч до миллионов ампер) имеют дело при исследованиях:

- атмосферных процессов (разряды молнии);

- физики плазмы;

- процессов в сильноточных выпрямителях;

- высоковольтных выключателях;

- вентильных разрядниках и нелинейных ограничителях перенапряжений и др.

При проведении исследований с использованием генераторов импульсных токов часто бывает необходимо регистрировать форму импульса тока и измерять его максимальное значение. Это производится исключительно с помощью осциллографов, на вход которых подается сигнал, пропорциональный измеряемому току. Сигнал снимается с датчиков, индуктивно или непосредственно связанных с контуром измеряемого тока. Обычно датчиками являются активные сопротивления – шунты, а также специальные трансформаторы тока, получившие название поясов Роговского.

Разработаны принципиально новые виды датчиков тока: с использованием эффекта Холла для измерения напряженности магнитного поля вблизи проводов с током, оптические системы, в основу действия которых положен эффект Фарадея ‑ вращение плоскости поляризации некоторых веществ, находящихся в магнитном поле измеряемого тока. Однако наиболее распространенными устройствами для измерения импульсных токов остаются шунты и поясы Роговского, которые рассматриваются ниже.

2.1. Измерения импульсных токов с помощью низкоомных шунтов

Шунты для измерения импульсных токов применяются в случаях, когда имеется возможность их включения в разрядную цепь в точке заземления разрядного контура или при наличии осциллографа с питанием от источника, изолированного на напряжение не меньшее, чем потенциал точки разрядного контура, в которой включен шунт. В настоящее время проблема изоляции источника питания снята, поскольку питание осциллографов (как правило, цифровых), стало автономным.

Шунты для измерения импульсных токов изготовляются из материалов с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром и т. д.) или путем параллельного соединения большого количества низкоомных резисторов. Шунт имеет раздельные выводы для присоединения в цепь с измеряемым током и для съема напряжения, пропорционального току. Схема измерения тока с помощью шунта приведена на рис. 2.1. Для того, чтобы исключить многократное отражение волн на концах кабеля , его подключают к шунту через и резистор , при этом , где - волновое

Рисунок 2.1. Измерение импульсных токов с помощью низкоомного шунта.

А – схема подключения осциллографа; Б – эквивалентная схема замещения шунта.

сопротивление кабеля. Кабель согласуют с обеих сторон: Если сопротивление шунта чисто активное, падение напряжения на нем пропорционально току:

(2.1)

В действительности вокруг шунта при протекании тока имеется электромагнитное поле, которое учитывается включением в схему замещения шунта параллельной емкости и последовательной индуктивности. При малых сопротивлениях шунта влияние емкости пренебрежимо мало. Влияние индуктивности велико и падение напряжения на шунте фактически равно:

(2.2)

Падение напряжения на индуктивной составляющей шунта создает нелинейную составляющую падения напряжения на шунте и создает фазовый сдвиг. Поэтому основным требованием к шунтам, применяемым для измерения импульсных токов, является независимость их сопротивления от частоты. Их индуктивность должна быть минимальной и отвечать требованию:

>> ,

(2.3)

Для подтверждения этого требования рассмотрим пример. Допустим, что необходимо измерить прямоугольный импульс тока с параметрами: = 1000 А, длительность фронта длительность импульса Допустимое падение напряжение на шунте примем = 100 В. Тогда активное сопротивление шунта должно быть: Ом. Если такой шунт выполнить в виде цилиндра длиной 0,1 м, при этом его диаметр будет на много меньше длины, индуктивность такой конструкции шунта составит примерно = 0,110^-6 Г. Импульс тока можно представить суммой гармоник. На фронте импульса частота составляет = 2,510⁶ Гц (длительность фронта – четверть периода фронтовой частоты). При длительности импульса первая гармоника спектра имеет частоту = 0,510⁶ Гц (считая длительность импульса равной полупериоду первой гармоники). Тогда реактивное сопротивление шунта на фронте составит:

Ом.

По первой гармонике реактивное сопротивление шунта составит:

Ом.

Таким образом, при измерении с шунта будет сниматься в основном индуктивная составляющая напряжения, поскольку на фронте реактивное сопротивление в 15 раз больше активного, а на плоской части – в 3 раза. Поэтому для того, чтобы измерения имели погрешность порядка 10%, индуктивность его должна быть снижена на два порядка. С этой целью разработан ряд конструкций малоиндуктивных шунтов.

Конструктивно шунты подразделяются на петлевые, цилиндрические и дисковые.

Петлевой шунт представляет собой одну или несколько параллельно соединенных полосок или проволок, сложенных бифилярно (рис. 2.2А). При бифилярном расположении проводников достигаются снижения индуктивности шунта и приближение друг к другу точек съема напряжения (точек 1 и 2, рис. 2.2.). При большом числе параллельных петель и их симметричном выполнении относительно точек съема напряжения удается компенсировать взаимную индуктивность отдельных контуров и значительно снизить полную индуктивность шунта.

Цилиндрические шунты выполняются обычно из тонкостенных труб из материала с высоким удельным сопротивлением. Съем напряжения производится с внутренней поверхности трубы, тем самым сводится к нулю взаимная индуктивность токовой цепи и цепи измерения (рис. 2.2Б). На том же принципе работает шунт (рис. 2.2В). Съем сигнала со внутренней поверхности цилиндра. Поле тока снаружи трубу и не наводит потенциалы на измерительные провода.

Рис. 2.2. Разновидности шунтов: А - петлевой; Б - трубчатый; В - коаксиальный; Г - дисковый; 1,2 - присоединение к жиле и оболочке измерительного кабеля.

Дисковые шунты находят применение при измерении токов длительностью менее 10^-8 с и конструктивно являются составной частью генератора тока коаксиального или кабельного типа. Шунт представляет собой тонкий проводящий диск, размещенный между внутренним и наружным коаксиальными цилиндрами (рис. 2.2Г).

Измерительная часть схемы дополняется, как правило, измерительным кабелем и согласующими резисторами в начале и в конце кабеля. В начале кабеля согласующий резистор включается последовательно между жилой кабеля и шунтом (рис. 1) и в случае цилиндрических шунтов располагается внутри трубы. Резистор в конце кабеля – между его жилой и оболочкой. Поскольку сопротивление шунта обычно много меньше волнового сопротивления кабеля, а сопротивления включаемых резисторов равны волновому, то на осциллографе фиксируется сигнал, в 2 раза меньший снимаемого с шунта. Влияние индуктивности L в схеме замещения приводит к искажению реальной формы тока при регистрации. Степень искажения можно оценить (как в делителях напряжения) путем оценки реакции на прямоугольный импульс тока. Для шунта время реакции (постоянная времени):

,

(2.4)

где L_ш и R_ш – индуктивность в схеме замещения и активное сопротивление шунта.

В общем случае L_ш= L_вз+ L_вт, где L_вз – взаимная индуктивность измерительной цепи и контура измеряемого тока; L_вт – внутренняя индуктивность шунта. Для цилиндрических и дисковых шунтов при хорошем экранировании измерительной части, использовании коаксиального измерительного кабеля L_вз может приближаться к нулю. Для шунта, выполненного из бифилярного круглого провода общей длиной l , радиусом r и при расстоянии между осями проводов d:

, .

(2.5)

где _ ‑ магнитная проницаемость материала шунта.

Для шунта, выполненного из шины шириной h и толщиной b при расстоянии между шинами, меньшем b,

, .

(2.6)

где  ‑ удельное сопротивление материала шунта; здесь и далее предполагается, что шунт изготовлен из немагнитного материала.

При известном значении активного сопротивления шунта время реакции для расчетных значений L_вт определяется по формуле 2.4.

Следует отметить, что L_вз может быть скомпенсирована путем включения в измерительную схему дополнительного контура, компенсирующего влияние цепи разряда. Сложнее обстоит дело с внутренней индуктивностью шунта.

Известно, что на высокой частоте плотность тока по сечению проводника неодинакова, и глубина проникновения электромагнитного поля в материал шунта зависит от его удельного сопротивления и частоты . Распределение тока в первом приближении характеризуется эквивалентной глубиной проникновения:

,

(2.7)

Поскольку зависит от частоты, то для исключения частотной зависимости сопротивления и внутренней индуктивности шунта толщина проводов, шин или трубок, из которых изготовлен шунт, должна быть много меньше глубины проникновения поля при максимальной частоте измеряемого тока или его основных гармоник.

Режим проникновения электромагнитного поля в материал характеризуется постоянной времени:

(2.8)

где b – толщина стенки шунта.

Для того чтобы процесс проникновения поля не влиял на результаты измерения, нужно параметры шунта выбирать так, чтобы время проникновения было бы на порядок меньше длительности фронта измеряемого импульса тока, т.е. постоянная времени шунта в предельном случае определяется временем проникновения поля.

С учетом сказанного выбирается толщина токоведущих элементов шунта. Их сечение определяется полностью термической и электродинамической стойкостью, а длина – значением требуемого сопротивления.

Существует также зависимость сопротивления материала шунта от его температуры. Данный эффект необходимо учитывать при выборе материала для шунта, также, как и глубину проникновения поля.

Термическая стойкость шунта, а именно температурные пределы, выше которых шунт теряет метрологические качества, легко рассчитывается при известном режиме эксплуатации шунта, расчетном значении Джоулева тепла, выделяющегося в шунте, и условиях теплоотвода.