1 Метрологическое обеспечение шунтов переменного тока
В настоящем разделе приведена общая информация о шунтах переменного тока. Описаны основные свойства и погрешности шунтов, приведены эквивалентные схемы, классификация и метрологические характеристики шунтов переменного тока. В разделе представлены основные сведения о метрологическом обеспечении токовых шунтов, представлен обзор существующих методов определения динамических характеристик шунтов переменного тока, классификация и особенности этих методов.
1.1 Классификация шунтов переменного тока
Шунт переменного тока представляет собой пассивный преобразователь, в котором при нормальных условиях применения выходная величина практически пропорциональна входной величине, при этом входная и выходная величины имеют угол фазового сдвига, близкий к нулю. Из всех величин, характеризующих шунт переменного тока, главной является комплексный коэффициент преобразования , определяемый как отношение комплексного напряжения к комплексному току :
. (1)
Коэффициент преобразования шунта на переменном токе имеет комплексный характер. Поэтому шунт представляют в виде двухэлементной схемы замещения, состоящей соответственно из независимых активной и реактивной составляющих:
, (2)
. (3)
Активная составляющая коэффициента преобразования шунта Re Z представлена в виде активного сопротивления R шунта, реактивная Im Z – в виде некоторой эквивалентной индуктивности:
, (4)
где f – частота протекающего тока.
Коэффициент преобразования шунта на постоянном токе есть его сопротивление R, которое определяется как отношение скалярных величин – постоянного выходного напряжения U к постоянному току I:
(5)
Шунты переменного тока разделяют на несколько групп в зависимости от конструктивного исполнения резистивных элементов [1, 4].
В зависимости от наличия прямых и обратных токоведущих частей резистивных элементов шунты подразделяют на унифилярные и бифилярные.
По конструкции резистивного элемента шунты разделяют на стержневые, дисковые, трубчатые и плоские.
По точности шунты переменного тока разделяют на шунты низкой точности (относительная погрешность от 0,1 до 1 %), средней точности (от 0,01 до 0,1 %) и высокой точности (от 0,001 до 0,01 %).
По условиям теплоотдачи различают шунты с естественным воздушным охлаждением и принудительным воздушным или жидкостным охлаждением.
С точки зрения возможности теоретической оценки частотных погрешностей шунтов в заданном диапазоне шунты переменного тока делятся на шунты, допускающие расчетную оценку частотных погрешностей с достаточной для практики точностью (от 5 до 20 %), и шунты с грубой оценкой частотных погрешностей (от 20 до 100 % и более).
Известно, что конструкция и технология изготовления унифилярных шунтов более проста, чем бифилярных, но наличие в них унифилярных проводников, обладающих большой индуктивностью, делают комплексный коэффициент преобразования шунта зависящим от частоты. Кроме того, значительная магнитная связь между унифилярной резистивной частью и унифилярными токоведущими и потенциальными проводами значительно увеличивает частотные погрешности шунта.
Для расширения частотного диапазона используют шунты с бифилярными резистивными элементами, содержащими проводники с прямым и обратным направлением тока, находящимися в тесной индуктивной связи. Это существенно снижает собственную индуктивность шунта до определенных пределов (от 10-11 до 10-6 Гн). Бифилярное исполнение контактной части шунта, токовых и потенциальных проводов позволяет также снизить взаимную магнитную связь между ними и получить шунт с минимальной неисключенной индуктивностью. Кроме того, внешние электромагнитные поля наводят в бифилярных проводниках практически одинаковые электродвижущие силы помех, которые вычитаются. Бифилярное исполнение резистивной и контактной частей шунта токовых и потенциальных проводов позволяет также значительно снизить собственное электромагнитное поле проводов, что особенно важно при использовании шунта в высокочастотных и импульсных цепях.
Бифилярная конструкция резистивной части шунта предпочтительна также вследствие того, что электромагнитное поле шунта концентрируется в сравнительно малом пространстве между проводниками бифиляра, что исключает влияние близко расположенных металлических масс на частотные характеристики шунта.
1.2 Погрешности шунтов переменного тока
Абсолютную комплексную погрешность шунта записывают [1] в виде:
, (6)
где и - активная и реактивная составляющие абсолютной погрешности шунта.
Отношение комплексного коэффициента преобразования Z к скалярному коэффициенту преобразования на постоянном токе R можно представить в виде:
, (7)
где и – относительные активная и реактивная составляющие погрешности,
Формула (7) учитывает изменение комплексного коэффициента преобразования шунта, вызванное влиянием остаточных паразитных полей (магнитного и электрического) и поверхностного эффекта в материале резистивной части шунта.
Для характеристики точности, шунта переменного тока используется фазовая и модульная погрешности.
Фазовая погрешность ? представляет собой угол фазового сдвига между векторами тока и напряжения . Эта погрешность считается положительной, если вектор выходного напряжения опережает вектор входного тока .
Модульной погрешностью считается алгебраическая разность между модулем полного сопротивления шунта Z и сопротивлением шунта R на постоянном токе.
Требования к частотным погрешностям диктуются назначением шунта в цепи переменного тока. При использовании шунта в фазонечувствительных цепях (например, при измерении переменных токов) модульная погрешность шунта должна быть достаточно мала, а фазовая погрешность не влияет на комплексную погрешность шунта. В фазочувствительных схемах, используемых для измерения мощности, энергии, фазового сдвига, необходимо учитывать как модульную, так и фазовую погрешности шунта; причем модульная погрешность, как правило, не оказывает существенного влияния, по сравнению с влиянием фазовой погрешности, на коэффициент преобразования шунта.
Для практических целей используют представление модульной и фазовой погрешностей через не зависящий от частоты переменного тока параметр – электромагнитную постоянную времени ?. Под электромагнитной постоянной времени шунта понимают отношение фазовой погрешности ? к угловой частоте ? = 2 ? f, т. е.