«ОТКРЫТЫЙ ЗАХВАТ»  ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СИЛЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Месяц В.В.  к.т.н.

       В электрических измерениях большое распространение получили измерения силы переменного тока  с помощью трансформаторов тока.  Разъемные трансформаторы тока, которые могут смыкаться и размыкаться вокруг провода с измеряемым током, используются в  конструкции электроизмерительных клещей, предназначенных для измерения силы переменного тока без разрыва цепи. Традиционно  клещи содержат три основных блока – разъемный трансформатор тока (далее - магнитопровод),  показывающий аналоговый или цифровой индикатор и блок расширения пределов измерений.  Производители приборов  выпускают клещи аналоговые и цифровые.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         Аналоговые клещи содержат, как правило, магнитоэлектрический измерительный механизм на кернах. В качестве индикатора цифровых клещей чаще всего применяют  жидкокристаллические индикаторы.   Выпускаются также клещевые приставки, которые представляют собой клещи без индикатора для считывания величины силы тока. Чаще всего клещевые приставки – однопредельные, реже – с блоком расширения пределов измерений. Клещевые приставки подключаются к приборам, которые имеют собственные устройства отображения информации.

         Одним из наиболее сложных  узлов при изготовлении электроизмерительных  клещей является  разъемный трансформатор тока. Сложность магнитопровода заключается в жестких требованиях к механике подвижного узла, который должен обеспечивать стабильное во времени смыкание - размыкание магнитопровода. Стабильность работы механики должна обеспечивать по крайней мере несколько тысяч измерений. Такое требование объясняется тем, что появление нестабильных зазоров, загрязнений,  перекосов при смыкании магнитопровода ведет к отсутствию повторяемости результата измерения и невозможности измерений с нормированной точностью.

         Для изготовления магнитопроводов используются тонколистовые электротехнические стали. Состав материала магнитопровода в решающей степени влияет на качество электроизмерительных клещей. Достаточно много изготовителей применяют дешевые электротехнические стали наряду с упрощенной технологией производства магнитопровода для выпуска дешевых  клещей. Такие клещи не обладают достаточными для производственных измерений метрологическими характеристиками и часто позиционируются  продавцами как  «прибор, применяемый  для измерений в бытовых условиях».

          Совсем иное дело – магнитопровод для профессиональных измерений. Для таких  магнитопроводов наиболее широко применяется анизотропная холоднокатанная сталь марок 3413, 3414, 3405.  Эта сталь выпускается в виде листов, рулонов и имеет с одной стороны термостойкое изоляционное покрытие.

          Для расширения диапазона измерений клещей в сторону измерения малых токов в магнитопроводах используются  железо-никелевые сплавы, характеризующиеся большой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях.  Это сплавы 50 НП,  79 НМ, 79 НМА и другие. Изготовление магнитопровода для профессиональных электроизмерительных клещей – сложный  технологический процесс, связанный с использованием энергоемкого оборудования  (резка, штампование материала, отжиг в среде инертного газа, склеивание пластин, шлифование).  Однако в конечном итоге возможно получить клещи,  удовлетворяющие самым высоким требованиям профессиональных пользователей.

          Примером таких клещей могут служить широко применяемые в Украине аналоговые электроизмерительные клещи РК120 и РК120.1  Эти клещи не нуждаются во встроенном источнике питания,  схема клещей  питается от  измеряемой цепи. Конечные пределы диапазонов измерений – от 1,5  до 600 А удовлетворяют большинство пользователей, а  цена деления на нижнем диапазоне в 0,05 А делает эти клещи уникальными среди себе подобных. Благодаря тщательно отработанной конструкции, реально срок эксплуатации этих клещей достигает 10 и более лет.  Однако следует учитывать, что объективно неизбежные металлоемкие и энергоемкие технологии, дорогостоящий измерительный механизм  вызывают стабильный рост цен на аналоговые клещи.

         В цифровых электроизмерительных клещах измерительный механизм заменен жидкокристаллическим индикатором.   Количество моделей цифровых клещей во много раз превышает количество моделей аналоговых. Общий недостаток цифровых клещей - наличие встроенного источника питания. Однако этот недостаток с лихвой компенсируется расширением  номенклатуры измеряемых величин: частота,  действующее значение силы тока, cos φ, обработка результатов измерений и др.

         Долгие годы магнитопровод клещей оставался «неприступным» для модернизации узлом, несмотря на многочисленные технические идеи,  о чем свидетельствует множество

патентов и публикаций. Тем не менее, можно  отметить несколько реальных конструкций, которые нашли отражение в промышленно выпускаемых  цифровых клещах.

Речь идет о моделях, в которых  разъемный трансформатор тока  заменен постоянно открытым  U –образным токовым датчиком.  Благодаря применению U –образного токового  датчика  удалось избавиться от сложной и ненадежной  механики для раскрытия магнитопровода.

        Саму технологию  измерений с постоянно открытым токовым датчиком  называют по разному – «открытый зев»,  «измерительная вилка».  Наиболее подходящим автору кажется определение -  «открытый захват». Традиционно приборы, реализующие «открытый захват», продолжают называть клещами.

         В качестве примера реализации «открытого захвата»  приведем BENNING CM1,  FLUKE T5, KYORITSU 2300R, KYORITSU 2000R, Е31.3 КРАБ  (Рисунки 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно)

 

 

 

 

 

 

     Германия

 

Рис.1

 

 

 

США

 

Рис.2

 

 

 

 

 

Япония

 

Рис. 3

 

 

 

 

 

 

Япония

 

Рис. 4

 

Украина

 

Рис.5

 

         Конструкции токовых датчиков в разных моделях клещей различаются. В некоторых моделях,  реализующих «открытый захват» применяется U – образный штампованный магнитопровод из листовой электротехнической стали.  В качестве примера можно привести  KYORITSU 2300R (Рис.3), в котором такой магнитопровод используется совместно с датчиком Холла, что позволяет измерять как переменный так и постоянный ток. Конструкция токового датчика KYORITSU 2300R показана на рисунке 6.

Интересное техническое решение токового  датчика, благодаря которому разработчику удалось избавиться от применения электротехнических сталей и сплавов, реализовано в  

BENNING CM1.   В этой модели (рисунок 7)  токовый датчик представляет собой комплекс катушек, расположенных по  окружности, в центре которой помещают провод с измеряемым током.

 

 

                           

 

Рис 6

 

 

               

                               Рис.7

 

             Основная проблема для клещей, реализующий «открытый захват», это проблема влияния внешних магнитных полей. Источниками внешних полей служат проводники других фаз, токоведущие части различного оборудования,  соседние трансформаторы. 

Аналитические расчеты датчиков типа «открытый захват» с учетом минимизации влияния внешних полей  очень сложны, поэтому большое внимание при создании таких датчиков уделяется физическому моделированию.

              Для уменьшения влияния внешних полей в  датчиках указывают зону расположения измеряемого провода (рабочая зона). В этой зоне клещи откалиброваны и обеспечивают минимально возможную погрешность измерений. При измерениях такими клещами рекомендовано располагать датчик клещей таким образом, чтобы в проекции открытой части  датчика по возможности не было других проводников.

            В конструкции клещей Е321.3 «КРАБ» (Украина, г. Житомир) токовый датчик (рис. 5) несколько удлинен для снижения критичности расположения измеряемого провода. Для уменьшения влияния внешних полей из-за открытой части датчика в конструкции датчика применены специальные компенсаторы.

           Основные технические характеристики  клещей, реализующих «открытый захват» приведены в таблице.

 

 

Характеристика

BENNING CM1

FLUKE T5

KYORITSU 2300R

KYORITSU 2000R

Е31.3 КРАБ

Конечные значения диапазонов измерений

200 А

 

600 В

 

100 А

 

600 В/1000 В

100 А

60 А

600 А

Максимальный размер охватываемого провода

12,5 мм

12,9 мм

10 мм

6 мм

17 мм

Погрешность измерений

силы тока

 

3 % + 3 ЕМР

3 % + 3 ЕМР

2 % + 5 ЕМР

2 % + 4 ЕМР

[2%+1(Ik/Ix-1)}

Подсветка зоны измерения и показаний прибора

нет

нет

нет

нет

имеется

 

 

Следует учитывать некоторые особенности при эксплуатации клещей с U – образным токовым датчиком: 

1        Привыкнуть располагать провод в рабочей зоне токового датчика. Это требование, кстати, распространяется и на клещи с традиционным магнитопроводом, для которого рекомендуется располагать измеряемый провод в геометрическом центре окна магнитопровода.

2        Располагать токовый датчик таким образом, чтобы измеряемый провод  располагался перпендикулярно плоскости датчика.

3        Стараться, чтобы  напротив открытой части датчика не было других токоведущих проводов, шин.

Эти же требования должен соблюдать и поверитель. Как показало практическое использование клещей Е321.3 «КРАБ»,  указанные требования не обременяют пользователя. В то же время применение таких клещей дает ряд преимуществ в части безопасности измерений.

         Обратим внимание, что при измерениях традиционными  клещами требуется сначала развести «челюсти» магнитопровода,  ввести на измеряемый провод, сомкнуть «челюсти» произвести измерение, затем развести челюсти и снять прибор.  Во время такого процесса возможны зацепы и деформация близлежащих проводов. Особо внимательно нужно снимать клещи. Кроме того, с раскрытыми  «челюстями»  бывает сложно подобраться к  нужному проводу, а то и совершенно невозможно.

         И здесь большое преимущество предоставляют клещи с с U – образным токовым датчиком. Открытый захват позволяет произвести измерение в труднодоступном месте. Исключена возможность зацепа и деформации близлежащих проводов. Функция запоминания результата измерений позволяет сосредоточить внимание оператора только на безопасности измерений. Прочитать значение измеряемого тока можно после снятия клещей из измеряемой шины. Наличие подсветки измеряемых проводов создает комфорт и повышает безопасность. На фото – пример использования клещей Е321.3 КРАБ.