Wybrane aspekty ekranowania cewek Rogowskiego

Transkrypt

1 dr inż. STANSŁAW SZKÓŁKA inż. KACR ZYCH Politechnik Wrocłwsk Wybrne spekty ekrnowni cewek Rogowskiego W rtykule przedstwiono wyniki bdń modelowych dotyczących indukowni się psożytniczych npięć w sygnle użytecznym cewki Rogowskiego ekrnownej dodtkowo ekrnem luminiowym. Między innymi omówiono elementy skłdowe przetwornik z cewką Rogowskiego orz pomiry npięć psożytniczych. Pondto zprezentowno inne sposoby ekrnowni cewek Rogowskiego litym ekrnem ferromgnetycznym lub mosiężnym.. WSTĘP Kompktow budow cewek Rogowskiego sprwi, że młe rozmiry i ciężr w połączeniu z dużą wiernością przeksztłcni i niską ceną predysponują je do roli trkcyjnego przetwornik prądu przemiennego [, 2, 5, 6]. Zlety te związne są przede wszystkim z brkiem ferromgnetycznego obwodu mgnetycznego, co z kolei sprwi, iż rozwiązni te są mło odporne n wpływ zewnętrznych strumieni mgnetycznych. Prktyczne rozwiązni techniczne cewek wykonnych bez uwzględnieni wpływu psożytniczych strumieni mgnetycznych indukownych przez sąsiednie tory prądowe obrczone bywją znczną niedokłdnością trnsformcji, co w przypdku zbezpieczeń może prowdzić lbo do zbędnych, lbo do nieprwidłowych ich pobudzeń. krnowne cewki Rogowskiego przy spełnieniu pewnych wrunków dją możliwość zncznego zmniejszeni npięć psożytniczych indukownych przez sąsiednie tory prądowe [3, 4]. 2. LMNTY SKŁADOW PRZTWORNKA Z CWKĄ ROGOWSKGO Jk już wykzno w [5], z uwgi n psożytnicze strumienie mgnetyczne indukowne przez sąsiednie tory prądowe przetworniki prądowe wykorzystujące cewki Rogowskiego powinny być wyposżone w dodtkowe elementy, których podstwowym zdniem jest zmniejszenie sygnłów psożytniczych w sygnle użytecznym cewki. Do njwżniejszych elementów tkiego przetwornik (rys. ) zlicz się: zwoje kompensujące (3), wewnętrzny ekrn gwizdowy (5), ekrn toroidlny zewnętrzny (4). Rys.. Widok ekrnownego przetwornik prądowego z cewką Rogowskiego; uzwojenie główne cewki nwinięte równomiernie, kilkkrotnie n cłym obwodzie toroidlnego niemgnetycznego krksu; 2, 3 zwoje kompensujące; 4 ferromgnetyczny, toroidlny ekrn zewnętrzny; 5 ferromgnetyczny wewnętrzny ekrn gwizdowy [3, 4]

2 44 MCHANZACJA AUTOMATYZACJA GÓRNCTWA Zwoje kompensujące kompensują psożytnicze npięci pochodzące od strumieni innych torów prądowych. Z uwgi n różny stopień sprzężeni mgnetycznego zwoi kompensujących i uzwojeni głównego ze strumieniem psożytniczym celowym jest wyposżenie przetwornik w ferromgnetyczny wewnętrzny ekrn gwizdowy (5). Optymlną kompenscję zpewni ściśle określon liczb zwoi kompensujących [3] nwiniętych n średnicy D określonej jko: D D z D w () gdzie: D z, D w średnice zewnętrzn i wewnętrzn krksu (2) (rys. ). Przybliżoną wrtość sem e(t) indukownej w n-zwojch kompensujących od prądu i(t) płynącego w przewodzie leżącym w jednej płszczyźnie cewki, le usytuownym poz nią, możn wyznczyć z zleżności: n S di e( t) k (2) 2 x dt gdzie: S k pole przekroju pojedynczego zwoju kompensującego, x odległość prostoliniowego przewodu z prądem i(t) od środk cewki Rogowskiego (pojedynczy zwój kompensujący i prostoliniowy przewód z prądem leżą w jednej płszczyźnie), n liczb zwoi kompensujących. delne skompensownie sygnłów psożytniczych w konfigurcji cewk Rogowskiego przewód z prądem związne jest z koniecznością określeni średnicy D i liczby n zwoi kompensujących. Techniczne rozwiąznie problemu nwinięci z góry określonej liczby n zwoi kompensujących n średnicy D usytuownej wewnątrz toroidlnego niemgnetycznego krksu może sprwić trudności technologiczne. Poz tym cłkowitą liczbę zwojów głównego uzwojeni cewki nleży wówczs nwinąć równomiernie, n-krotnie n cłym obwodzie toroidlnego krksu. Umieszczenie zwoi kompensujących n zewnętrznej średnicy D z cewki ( nie n średnicy D) wywoł przekompensownie, współczynnik przekompensowni σ p wyniesie: D z p (3) Dw Umieszczenie zś zwoi n wewnętrznej średnicy D w cewki spowoduje niedokompensownie, współczynnik σ n wyniesie wówczs: D w n (4) Dz p Jk przedstwiono w [4], wyposżenie cewki Rogowskiego tylko w odpowiednio dobrne zwoje kompensujące nie rozwiązuje cłkowicie problemu eliminowni sygnłów psożytniczych w sygnle użytecznym cewki. W zleżności od jednej z trzech możliwych konfigurcji cewk Rogowskiego przewód z prądem zkłócjącym nleży dodtkowo stosowć ferromgnetyczne ekrny: wewnętrzny gwizdowy (5) i zewnętrzny toroidlny (4). 3. POMARY NAPĘĆ PASOŻYTNCZYCH CWK ROGOWSKGO N rys. 2. przedstwiono (wersj A,, i C) wyniki pomirów npięć psożytniczych dl prądu zkłócjącego o wrtości 5 A i cewki Rogowskiego obciążonej rezystorem R = kώ o prmetrch: czułość s [4] cewki dl hrmonicznej podstwowej 5 Hz [/A], zwoje kompensujące nwinięte n zewnętrznej powierzchni cewki; z k = 6 [zw], ferromgnetyczny ekrn wewnętrzny typu gwizd (5) (rys. ) mterił blch surr, ferromgnetyczny ekrn zewnętrzny (4) (rys. ) w postci dwóch psów mterił blch surr, rezystncj uzwojeń cewki R R = 3 [Ώ]. Poszczególne wersje (rys. 2) różnią się w niektórych elementch rozwiąznimi konstrukcyjnymi: wersj A cewk ze zwojmi kompensującymi (3) (rys. ) nwiniętymi n zewnętrznej jej powierzchni bez ekrnów ferromgnetycznych, wersj jk cewk A z wewnętrznym ekrnem ferromgnetycznym typu gwizd (5) (rys. ), wersj C jk cewk z zewnętrznym ekrnem ferromgnetycznym w postci dwóch równoległych psów n tworzącej wlc cewki (4) (rys. ). Podczs pierwszego etpu bdń npięć psożytniczych indukownych w cewce Rogowskiego w wrunkch różnej konfigurcji cewk przewód z prądem psożytniczym [3, 4] zuwżono indukownie się npięć n cewkch Rogowskiego nwet w przypdku, kiedy wrtość monitorownego prądu wynosił zero. Wrtości tych npięć whły się w grnicch od,24 do,8.

3 Nr (55) STYCZŃ-LUTY NAPĘCA PASOŻYTNCZ W UKŁADZ WG KONFGURACJ NAPĘCA PASOŻYTNCZ W UKŁADZ WG KONFGURACJ 2 NAPĘCA PASOŻYTNCZ W UKŁADZ WG KONFGURACJ 3 [m V] 3 2,5 A = 5 A = 5 A 2 = 5 A A 2,,5 C,5 A C C,5 5 [cm ] x 5 cm x 5 cm x A C Rys. 2. Npięci psożytnicze UR w funkcji odległości x dl trzech różnych konfigurcji ukłdu cewk przewód z prądem psożytniczym [4] Z uwgi n to, iż w pobliżu cewki znjdowł się wymuszlnik prądowy, zdecydowno się n dodtkowe ekrnownie cewki w postci folii luminiowej Al, przyłączonej do przewodu ochronnego. Okzło się to skuteczną metodą zncznej elimincji wrtości tych npięć psożytniczych. W przypdku, gdy ekrn luminiowy przyłączono do przewodu neutrlnego N, ekrn ten stł się nteną generującą większe zkłóceni niż w przypdku cewki pozbwionej tego ekrnu. fekty dziłni tego ekrnu przedstwiono w tbeli. 4. CWKA ROGOWSKGO Z DODATKO- WYM KRANM ALUMNOWYM AL dniom wpływu zewnętrznych pól n npięci indukowne w cewce Rogowskiego poddno wersję C cewki o dnych jk w p. 2., przy czym przetwornik dodtkowo zekrnowno folią luminiową Al. W tbeli. przedstwiono wyniki pomirów npięć psożytniczych UR przetwornik umieszczonego n przewodzie z monitorownym prądem jko funkcję stnu złączeni wymuszlnik i połączeni dodtkowego ekrnu luminiowego z przewodem ochronnym. Zestwienie zmierzonych wrtości npięć psożytniczych UR cewki Rogowskiego z dodtkowym ekrnem luminiowym Al (oprcownie włsne) Tbel. - Wymuszlnik prądowy Wrtość prądu krn luminiowy Al UR Stn [A] Stn połączeni z []. WYŁĄCZONY -,6 2. ZAŁĄCZONY - 2,3 3. ZAŁĄCZONY +, 4. ZAŁĄCZONY + 6, gdzie: - ekrn nieprzyłączony do, + ekrn przyłączony do. N rys. 3. przedstwiono zmierzone wrtości npięć psożytniczych wersji konstrukcyjnej C cewki Rogowskiego wyposżonej dodtkowo w luminiowy ekrn Al. Jk wynik z dnych przedstwionych n rys. 3., zstosownie dodtkowego ekrnu luminiowego znkomicie zmniejsz wrtości npięć psożytniczych w grnicch od,5 do 3 rzy. Nleży tutj zznczyć, iż ekrn luminiowy zncznie zmniejsz wrtości npięć psożytniczych, le zwiększ pojemności włsne uzwojeń cewki, co z kolei zmieni jej chrkterystyki częstotliwościowe, szczególnie w zkresie wyższych częstotliwości.

4 46 MCHANZACJA AUTOMATYZACJA GÓRNCTWA,5,5,5 5 cm 5 cm 5 cm Rys. 3. Npięci psożytnicze UR w funkcji odległości x dl trzech różnych konfigurcji ukłdu cewk przewód z prądem psożytniczym i wersji konstrukcyjnej C cewki Rogowskiego o dnych jk w p. 2 z ekrnem luminiowym Al przyłączonym lub nie do przewodu ochronnego sieci (oprcownie włsne) 5. CWKA ROGOWSKGO Z LTYM KRANM W kolejnym etpie bdń zmierzono skuteczność ekrnowni cewki Rogowskiego litym ekrnem wykonnym z żelz lub mosiądzu. W tym celu cewkę o dnych jk w p. 2. wersj A umieszczono wewnątrz przygotownych kubków (rys. 4). N rys. 5 przedstwiono chrkterystyki przetwornik (częstotliwość 5 Hz) w wersjch: A) przetwornik umieszczonego w kubku mosiężnym (szczelin = ) monitorowny prąd nie płynie wewnątrz okn cewki Rogowskiego, ) przetwornik umieszczonego w kubku mosiężnym (szczelin = mm); 2 umieszczonego w kubku żelznym (szczelin = mm); 3 smej cewki Rogowskiego bez kubków ekrnujących (oprcownie włsne). Rys. 4. Widok użytych ekrnów cewki Rogowskiego (stlowy i mosiężny) (oprcownie włsne) [] [] 3, 3 2, 5 2 A 5 [A] 5 [A] Rys. 5. Chrkterystyk przetwornik dl częstotliwości 5 Hz (oprcownie włsne)

5 Nr (55) LUTY Npięci psożytnicze indukowne w smej cewce (wersj A) i npięci indukowne w cewce umieszczonej w kubku mosiężnym (szczelin = mm) przedstwiono n rys. 6. [] 3, 2 2, 3 5 [cm] 2 3 = Rys. 6. Npięci psożytnicze indukowne w: ) smej cewce Rogowskiego (lini ciągł) dl różnej konfigurcji cewk przewód z prądem (, 2, 3), b) cewce Rogowskiego umieszczonej w kubku mosiężnym (szczelin = mm) (lini przerywn) (oprcownie włsne)

6 48 MCHANZACJA AUTOMATYZACJA GÓRNCTWA Wprowdzenie szczeliny = mm sprwi, że ekrn mosiężny przestje dziłć, przetwornik zchowuje się jk sm cewk Rogowskiego. N rys. 7. przedstwiono npięci psożytnicze indukowne w smej cewce (wersj A) i npięci indukowne w cewce umieszczonej w kubku żelznym (szczelin = mm). [] 3, 2, 2 5 [cm] 2 = = = Rys. 7. Npięci psożytnicze indukowne w: ) smej cewce Rogowskiego (lini ciągł) dl różnej konfigurcji cewk przewód z prądem (, 2, 3), b) cewce Rogowskiego umieszczonej w kubku żelznym (szczelin = mm) (lini przerywn) (oprcownie włsne)

7 Nr (55) LUTY Z kolei npięci psożytnicze indukowne w smej cewce (wersj A) i npięci indukowne w cewce umieszczonej w kubku żelznym przy różnej wrtości szczeliny ( = i mm) przedstwiono n rys. 8. [],2,8,6,4,2 5 [cm] = = = = mm = m m = mm Rys. 8. Npięci psożytnicze indukowne w cewce Rogowskiego umieszczonej w kubku żelznym dl różnej konfigurcji cewk przewód z prądem (, 2, 3); ) dl szczeliny = mm (lini ciągł), b) dl szczeliny = mm (lini przerywn) (oprcownie włsne)

8 5 MCHANZACJA AUTOMATYZACJA GÓRNCTWA 6. PODSUMOWAN Stosownie cewek Rogowskiego w sąsiedztwie zncznej liczby torów prądowych wymg wyposżni ich w odpowiednio dobrne ukłdy ekrnujące. Niezleżnie od fktu istnieni ekrnów cewkę Rogowskiego nleży obligtoryjnie wyposżć w uzwojenie kompensujące. Wyposżenie cewki Rogowskiego w mosiężny ekrn o litej konstrukcji niezncznie zmniejsz wrtości npięć psożytniczych generownych w sygnle użytecznym cewki przez sąsiednie tory prądowe. Dobór odpowiedniego ekrnu cewki determinowny jest konfigurcją torów prądowych w jej bezpośrednim sąsiedztwie. Przy torch prądowych leżących w płszczyźnie cewki njwiększą skuteczność ekrnowni (ok. - krotne zmniejszenie sygnłu psożytniczego) zpewni ekrn wewnętrzny typu gwizd, jk i lity ekrn żelzny. Zstosownie dodtkowego ekrnu luminiowego połączonego z przewodem ochronnym zmniejsz wrtości npięć psożytniczych w grnicch od,5 do 3 rzy. Litertur. Miedziński., Szkółk S., orczyński J., Kowlski Z.: Włściwości przetworników prądowych z cewką Rogowskiego w ukłdch pomirowych zbezpieczeń. Mechnizcj i Automtyzcj Górnictw, 24, nr 7 (42), s Szkółk S.: Cewk Rogowskiego w ukłdzie pomirowym mocy czynnej w obwodch nieliniowych. Przegląd lektrotechniczny, 2, nr 9, s Szkółk S.: Mechnizm indukowni się npięć psożytniczych w cewkch Rogowskiego. Przegląd lektrotechniczny, 22, nr, s Szkółk S., Wiśniewski G.: Cewk Rogowskiego o zwiększonej odporności n wpływ zewnętrznych strumieni mgnetycznych. Mechnizcj i Automtyzcj Górnictw, 22, nr 2 (52), s Szkółk S., Wiśniewski G.: Cewk Rogowskiego w środowisku przebiegów odksztłconych przykłdowe zstosowni. Przegląd lektrotechniczny, 29, nr 4, s Szkółk S., Wiśniewski G.: Cewk Rogowskiego w środowisku przebiegów odksztłconych przykłdowe zstosowni. Przegląd lektrotechniczny, 29, nr 4, s Artykuł zostł zrecenzowny przez dwóch niezleżnych recenzentów.