Pomiary prądów udarowych cd.

3. METODY POMIARU PRĄDóW IDAROWYCH

Prądy udarowe mierzy się przez przekształcenie go w miarę możliwości w sygnał napięciowy. Im przekształcenie będzie dokładniejsze tym otrzymany wynik będzie lepiej odwzorowywał udar prądowy. Najczęstszymi metodami wykorzystywanymi do pomiarów prądów udarowych są [2,4,]:
- sztabki magnetyczne
- powietrzne transformatory pomiarowe (tz. cewki Rogowskiego)
- boczniki wielkoprądowe

3.1 Sztabki magnetyczne

Sztabkę magnetyczną stanowi wiązka cienkich drutów z twardego materiału magnetycznego. Dokładnie rozmagnesowaną sztabkę umieszcza się w pobliżu spodziewanej drogi przepływu prądu, który swoim przepływem powoduje powstanie pola magnetycznego. Znajdująca się w obszarze działania pola sztabka magnesuje się proporcjonalnie do wartości szczytowej prądu a odwrotnie proporcjonalnie do odległości sztabki od przewodu, w którym płynął prąd. Pomiary z wykorzystaniem sztabek magnetycznych są jednak mało dokładne i w dlatego nie są stosowane w warunkach laboratoryjnych. Natomiast ze względu na niskie koszty i prostotę pomiaru stosuje się je do rejestracji wartości szczytowych prądów piorunowych [2, 4].

3.2 Powietrzne transformatory pomiarowe

Powietrzne transformatory pomiarowe, zwane też transformatorami (cewkami) Rogowskiego, stosowane są powszechnie do pomiaru dużych wartości prądów udarowych (większych niż 100 kA). Na szynę (przewód), w której przepływa mierzony prąd jest nałożone uzwojenie w postaci toroidu o dużej liczbie zwojów.

W tej bezrdzeniowej cewce indukuje się napięcie U2(t)= Mdi1(t)/dt, wymuszające w zamkniętym obwodzie integrującym cewki przepływ prądu i2(t) i powstanie sygnału pomiarowego Up(t). Niewątpliwą zaletą transformatorów powietrznych jest galwaniczna separacja od obwodu wielkoprądowego co umożliwia pomiary bardzo dużych wartości prądu.

Dość istotną wadą jest natomiast ograniczona zdolność do prawidłowego odtwarzania kształtu prądu przy dużych stromościach narastania oraz niewielki sygnał pomiarowy [2,4].

3.3 Boczniki wielkoprądowe

Do pomiarów prądów udarowych w laboratoriach badawczych jak również w precyzyjnych pomiarach przemysłowych stosuje się boczniki prądowe, które według teorii obwodów elektrycznych stanowią czwórnik.

Zadaniem bocznika jest przekształcenie udaru prądowego na impuls napięciowy o wartości szczytowej dostatecznej do rejestracji oscylograficznej.

Zasadniczą częścią urządzenia jest część oporowa (rezystancyjna) włączona w obwód rozładowania generatora prądowego. Prawidłowe wykonanie pomiarów prądu udarowego jest uzależnione od prostej proporcjonalności napięcia na boczniku u(t) od prądu i(t), zgodnej z prawem Ohma:


Poważne problemy metrologiczne wymagające stosowania specjalnej konstrukcji bocznika, występują w przypadku pomiarów dużych szybkozmiennych prądów udarowych. Powodem błędu może być nawet bardzo mała wartość indukcyjności bocznika Lb powodująca spadek napięcia:


Błąd ten może być bardzo znaczący, gdyż rezystancja boczników wielkoprądowych jest mała (0,1<10mΩ) zazwyczaj wielokrotnie mniejsza od rezystancji obwodu rozładowania generatora prądowego.

W konstrukcji bocznika prądu udarowego należy zwrócić szczególną uwagę na efekt naskórkowości prądu. Głębokość wnikania δ prądu do wnętrza materiału oporowego można określić korzystając ze wzoru [9]:

gdzie:
ρ - rezystywność materiału oporowego, μ - przenikalność magnetyczna materiału oporowego, (μ= μw μ0),
f- częstotliwość prądu; dla prądów udarowych aperiodycznych można przyjąć, że f=1/4T1 (T1 – czas trwania czoła udaru prądowego).

Eliminację błędu związanego z efektem naskórkowości można uzyskać przez zastosowanie materiałów oporowych o grubości wielokrotnie mniejszej od głębokości wnikania prądu. Rezystancja dynamiczna bocznika będzie wówczas równa rezystancji zmierzonej podczas przepływu prądu stałego.

W praktyce stosuje się dwa rodzaje konstrukcji boczników: bocznik wykonany z taśmy oporowej (płaski) oraz bocznik rurowy lub dwururowy. Najprostszą konstrukcja bocznika jest bocznik szynowy płaski. Jego budowa eliminuje wpływ przewężenia toru prądowego. W najprostszej postaci wykonany jest z szerokiej taśmy oporowej, złożonej na pół i przedzielonej materiałem izolacyjnym odpornym na wysoką temperaturę. Przy odpowiedniej długości czynnej taśmy oporowej można istotnie wyeliminować wpływ zewnętrznego pola magnetycznego. Krótki czas odpowiedzi bocznika można uzyskać przez zastosowanie w układzie pomiarowym układu korekcji w postaci czwórnika z elementami biernymi. Boczniki o takiej konstrukcji znalazły zastosowanie w układach, w których tory prądowe są wykonane w postaci szyn.

Bocznik rurowy ma dość skomplikowaną konstrukcją umożliwiającą wyeliminowanie wpływu naskórkowości prądu oraz zewnętrznego pola magnetycznego w pomiarach prądów udarowych. W boczniku dwururowym element oporowy tworzy cienka rura wykonana z materiału stosowanego na precyzyjne oporniki pomiarowe (manganin, konstantan, odpowiednie stopy chrom-nikiel). Tor powrotny prądu udarowego stanowi natomiast rura zewnętrzna bardzo dobrze przewodząca prąd elektryczny (zazwyczaj miedziana).
4. BOCZNIK PRĄDóW UDAROWYCH BPU 100/1
W ramach tej pracy został zaprojektowany i wykonany bocznik wielkoprądowy, przeznaczony do pomiarów prądów udarowych w Laboratorium Wysokich Napięć. Po analizie literaturowej oraz rozpatrzeniu postawionych wymagań pomiarowych przyjęto, że bocznik będzie miał specjalną konstrukcję dwururową i będzie umożliwiał pomiary prądów udarowych w zakresie do 100 kA.

Założono również, że rezystancja bocznika będzie wynosić około 1 m, a częstotliwość graniczna pasma przenoszenia bocznika będzie przekraczać 1 MHz. Z powodu trudności w uzyskaniu rury oporowej o odpowiednich parametrach zdecydowano, że element oporowy tworzyć będzie specjalna konstrukcja odcinków taśm oporowych ułożonych ściśle na powierzchni ceramicznej rury izolacyjnej (tworzącą jakby rurę oporową). Do wykonania części oporowej bocznika wybrano z katalogu produkcji firmy Kanthal taśmę Cuprothal 49. Jest to stop miedzi i niklu z dodatkiem manganu o składzie chemicznym: 55% Cu, 44% Ni, 1% Mn. Właściwości tego stopu oporowego, wykorzystanego do wykonania oporników pomiarowych i precyzyjnych elementów grzejnych, zestawia Tab. 1.



Projekt bocznika obejmował opis opracowanej konstrukcji (rys. 3) oraz kompleksowe obliczenia elektryczne, cieplne i mechaniczne.

Zgodnie z projektem bocznik został wykonany w postaci cylindrycznego elementu oporowego umieszczonego współosiowo wewnątrz rury miedzianej stanowiącej tor powrotny bocznika. Dodatkowym zadaniem rury oporowej jest eliminacja wpływu zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Należy również podkreślić, że przepływ prądu rurą przewodzącą (miedzianą) w przeciwnym kierunku niż w rurze oporowej powoduje kompensację strumienia magnetycznego, zakłócającego pomiary. Cylindryczny element oporowy wykonany został z 50 odcinków taśmy oporowej o długości 20 cm ułożonych równolegle na zewnętrznej powierzchni rury porcelanowej.

W celu zapewnienia zwartej budowy, oraz zwiększonej wytrzymałości mechanicznej elementu oporowego paski oporowe - po odpowiednim rozmieszczeniu na rurze ceramicznej oraz wlutowaniu w zaciski prądowe - zostały owinięte potrójną warstwą taśmy z włókna szklanego nasączonego żywicą epoksydową.

Lutowanie pasków z korkami mosiężnymi (zaciski prądowe) wykonano spoiwem srebrnym w celu uzyskania pewnego połączenia elektrycznego oraz jak najmniejszej rezystancji przejścia. Wewnątrz rury porcelanowej umieszczono współosiowo ekranowany przewód obwodu napięciowego, łączącego dopływowy zacisk prądowy bocznika z środkowym zaciskiem gniazda złącza współosiowego (BNC), zamocowanego w odpływowym zacisku prądowym. W układzie probierczym zacisk ten jest przeznaczony do uziemienia bocznika. Gniazdo złącza pomiarowego, połączone spoiwem miękkim o dużej zawartości cyny z przewodem obwodu napięciowego umożliwia przyłączenie bocznika pomiarowym kablem koncentrycznym do oscyloskopu cyfrowego. W celu poprawienia przewodności konstrukcji bocznika rura powrotna prądu oraz tory prądowe (elementy stykowe) zostały pokryte dwumikronową warstwą srebra.

Rys. 3. Bocznik prądu udarowego
1. szyna doprowadzająca 7. rura miedziana
2. korek izolacyjny 8. korki mosiężne
3. przewód napięciowy 9. szyny odprowadzające prąd
4. rura ceramiczna 10. gniazdo pomiarowe BNC
5. rura oporowa 6. warstwa włókna szklanego nasączona żywicą epoksydową

Wykonany bocznik został poddany badaniom sprawdzającym. Przykładowe oscylogramy prądu udarowego płynącego w antenie symulatora impulsowego pola elektromagnetycznego wyładowań piorunowych [10], wykorzystywanego w badaniach kompatybilności elektromagnetycznej w Laboratorium Wysokich Napięć, przedstawiono na rys. 4.

a)

b)

Rys. 4. Oscylogramy prądu udarowego symulatora impulsowego pola elektromagnetycznego:

Wykonane obliczenia i pomiary sprawdzające wykazały, że podstawowe parametry metrologiczne bocznika są następujące:
- Rezystancja bocznika (mierzona przy prądzie stałym) -1,047m OM ±0,02%;
- Częstotliwość graniczna pasma przenoszenia -2,5 MHz;
- Znamionowy prąd udarowy (8/20) -100 kA

Bocznik ten oznaczono symbolem BPU 100/1 – co oznacza bocznik prądów udarowych o znamionowym prądzie udarowym 100 kA i rezystancji 1 m Om.

Autor: Krzysztof Gontar

LITERATURA

[1]PN-92/E-04060, IEC 60-1 (1989).: Wysokonapięciowa technika probiercza.
[2]Praca zbiorowa pod red. Romualda Kosztaluka .: Technika badań wysokonapięciowych, WNT Warszawa 1985.
[3]Alain Charoy .: Kompatybilność elekromagnetyczna. WNT Warszawa 2000.
[4]Praca zbiorowa pod red. Janusza Fleszyńskiego.: Laboratorium wysokonapięciowe w dydaktyce i elektroenergetyce. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999
[5]PN-IEC 61312-1: 2001.: Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.
[6]PN-IEC 61024-1-1: 2001.: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych.
[7]Stefan Zalewski.: Bocznik do rejestracji przebiegów szybkozmiennych w zwarciowych obwodach probierczych. Przegląd Elektrotechniczny R. XLVIII Z. 6/1972
[8]Ryszard Malewski.: Micro-ohms shunts for precise recording of short-circuit currents. IEEE Transactions on Power and Systems Vol. PAS-96, no. 2, March/April 1977
[9]Ryszard Malewski, Chinh T. Nguyen , Kurt Feser, Nils Hylten-Cavallius.: Eliminacja uchybu związanego ze zjawiskiem naskórkowym w bocznikach wielkoprądowych. Przegląd Elektrotechniczny R. LX Z. 4/1984
[10]Janusz Fleszyński, Edward Sojda.: Field simulation of lighting electromagnetic threats. International Wrocław Symposium on Electromagnetic Compatibility, Wrocław 1994