Сравнительный анализ современных датчиков тока

В данной работе проведен сравнительный анализ различных типов датчиков тока, получивших наиболее широкое применение в промышленности. Рассмотрено применение датчиков тока на все классы напряжения. Описаны достоинства и недостатки современных датчиков тока.

Ключевые слова: сила тока, датчик Холла, оптоволоконные датчики тока, трансформатор тока, резистивный датчик тока.

На современном этапе развития электроэнергетики при повсеместном использовании электрооборудования и электроприборов наиболее актуальным является достоверное измерение силы тока для обеспечения высокой надежности и безопасности промышленных систем и сетей. Для осуществления мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки применяются различные типы датчиков тока.

Современные датчики тока подразделяются на следующие типы:

1. резистивные датчики (токовые шунты);

2. датчики тока на эффекте Холла;

3. трансформаторы тока;

4. волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) на эффекте Фарадея;

5. пояс Роговского;

6. токовые клещи.

Достоинства и недостатки различных типов датчика тока определяют области их применения.

Датчик тока на основе пояса Роговского в основном применяется для измерения импульсных токов большой величины, но он обладает невысокой точностью и при его использовании появляется необходимость в интегрирующем устройстве. Эти недостатки ограничивают область применения датчиков тока такого типа.

Токовые клещи за счет малой точности измерения широкого применения в промышленности не получили.

В промышленности наиболее часто применяются первые четыре типа датчиков тока [1]. Анализ характеристик таких датчиков тока проведен для трех классов напряжения (низкого до 1 кВ, среднего – 6 -35 кВ, высокого – 110 – 750 кВ). Полученные данные сведены в таблицы: табл. 1 – напряжение до 1 кВ, табл. 2 – напряжение 6 – 35 кВ, табл. 3 – напряжение 110 – 750 кВ.

Таблица 1

Номинальное напряжение до 1 кВ

На напряжение до 1 кВ (табл. 1) применяются 3 типа датчиков тока:

1. резистивные датчики;

2. датчики тока на эффекте Холла;

3. трансформаторы тока.

Широкий диапазон измеряемых токов имеется у трансформатора тока и резистивного датчика тока. Однако резистивный датчик тока обладает явными преимуществами, выраженными в низкой стоимости и возможностью измерять как переменный, так и постоянный токи. Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения. Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты. Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. К их главным достоинствам следует отнести отсутствие вносимых с систему потерь мощности, широкий диапазон частот. Недостатком является необходимость внешнего источника питания и зависимость от температуры.

Таблица 2

Номинальное напряжение 6 - 35 кВ

При данном классе напряжений (табл.2) используется только трансформаторы тока, датчик Холла не используется за счет невысоких значений напряжений изоляции данных датчиков [2].

При высоком классе напряжения (табл. 3) используются трансформаторы тока и волоконно-оптические датчики тока. Главными недостатками трансформатора тока являются:

1. опасность размыкания вторичной измерительной обмотки;

2. значительная масса, в том числе за счет изоляционного материала (масла), который, к тому же, является горючим веществом.

Этих недостатков лишены волоконно-оптические датчики тока. Данные датчики обладают очень широким диапазоном измеряемых токов (до 500 кА), высоким классом точности, широким частотным диапазоном, пожаробезопасностью. Но для использования этих датчиков в РЗиА необходимы специальные терминалы, что ведет к дополнительному увеличению их стоимости [3].

Таблица 3

Номинальное напряжение 110 - 750 кВ

В результате проведенного анализа установлено следующее:

1. Наиболее распространенным средством измерения силы тока в системах электроснабжения является трансформатор тока. Он способен работать в широком диапазоне температур и номинальных токов, обладает достаточной для практики точностью и может применяться в широком диапазоне номинальных напряжений. Трансформатор тока обеспечивает гальваническую развязку вторичных цепей [4]. Основной недостаток данного датчика заключается в том, что размыкание вторичной измерительной обмотки не допускается, т. к. это приводит к аварийной ситуации, обусловленной высоким перенапряжением и нагревом.

2. Для целей измерения тока в низковольтных цепях постоянного и переменного тока широко используется резистивный датчик тока. Данный датчик является самым простым в исполнении и обладает высокой точностью измерения, однако главный недостаток состоит в наличии гальванической связи с измерительными цепями, что ограничивает область их применения.

3. Из проведенного анализа следует, что в последние время для измерения постоянного и переменного тока находят наиболее частое применение датчики тока на эффекте Холла. Основными недостатками данного датчика является зависимость показаний от температуры, невысокий, по сравнению с трансформатором тока, диапазон номинальных напряжений.

4. Для измерения сверхбольших токов при высоких напряжениях в последнее время все чаще применяются оптоволоконные датчики тока.

Литература:

1. Данилов А. Современные промышленные датчики тока / А. Данилов // Современная электроника. – 2004. – октябрь. С.26–35.

2. Волович Г. Интегральные датчики Холла [Электронный ресурс] / Г. Волович // НПФ Электропривод. – Режим доступа: www.gearmotor.ru/holl.htm. − Загл. с экрана.

3. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу; под ред. Т. Окоси; пер. с япон. – Л. : Энергоатомиздат, 1990. – 256 с.

4. Афанасьев В. В. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев и [др.], Н. М. Адоньев, В. М. Кибель, И. М. Сирота, Б. С. Стогний. – Л. : Энергоатомиздат, 1989. – 416 с.