Катушка роговского своими руками

Обновлено: 03.07.2024

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА / ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / ТОРОИДАЛЬНАЯ КАТУШКА / МАГНИТНОЕ ПОЛЕ / ИНДУКТИВНОСТЬ / ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ / CURRENT MEASUREMENT / DIFFERENTIATING TRANSDUCER / TOROIDAL COIL / THE MAGNETIC FIELD / INDUCTANCE / MUTUAL INDUCTANCE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Астафоров Иван Константинович, Богодайко Игорь Александрович, Козлова Татьяна Сергеевна, Кувшинов Геннадий Евграфович, Твердохлебов Виталий Викторович

Method of calculating a partitioned Rogowski coil

Purpose of this paper is to give the design procedure of differentiating measuring current transducers, which are proposed for use in high voltage networks instead of traditional current transformers.

И.К. Астафоров, И.А. Богодайко, Т.С. Козлова, Г.Е. Кувшинов, В.В. Твердохлебов

Методика расчета секционированной катушки Роговского

Приводится методика расчета дифференцирующих измерительных преобразователей тока, которые предлагается использовать в сетях высокого напряжения вместо традиционных трансформаторов тока. Ключевые слова: измерение тока, дифференцирующий преобразователь, тороидальная катушка, магнитное поле, индуктивность, взаимная индуктивность.

Method of calculating a partitioned Rogowski coil. Ivan K. Astaforov, Tatyana S. Kozlova, Vitaly V. Tver-dokhlebov (Amur State University, Blagoveshchensk), Igor A. Bogodayko (Amur electric networks, Blagoveshchensk), Gennadij E. Kuvshinov - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok). Purpose of this paper is to give the design procedure of differentiating measuring current transducers, which are proposed for use in high voltage networks instead of traditional current transformers. Key words: current measurement, differentiating transducer, toroidal coil, the magnetic field, inductance, mutual inductance.

Секционированные тороидальные катушки Роговского предназначены для измерения производных токов в электрических установках высокого напряжения. Обмотка такой катушки состоит из достаточно большого числа секций, разделенных узкими промежутками. Такая конструкция катушки обеспечивает ее высокую помехозащищенность от мешающих магнитных полей, возможность получения ЭДС (электродвижущей силы), наводимой измеряемыми токами, которая, при номинальном значении этих токов, составляет несколько вольт. Катушка охватывает верхнюю фарфоровую покрышку высоковольтного ввода. Она размещается на участке покрышки, который непосредственно примыкает к соединительной втулке ввода. Секции катушки целесообразно выполнять в виде одинаковых круговых соленоидов, надетых на общий гибкий немагнитный каркас (на трубку из полимерного материала) [1, 3].

До настоящего времени еще не создана методика, позволяющая выполнять расчет параметров таких катушек. Приведенные ниже материалы снимают эту проблему.

Соленоиды, имеющие средний диаметр витка й и длину а, разделены промежутками длиной Ь, не покрытыми витками катушки. Относительная длина одинаковых элементарных соленоидов ай = а/й должна быть не меньше 0,5 и не больше 2. Такие ограничения связаны с удобством изготовления элементарных соленоидов, размещения их на общем гибком каркасе, закрепления на нем и электрического соединения выводов элементарных соленоидов. При большем значении ай возникают затруднения с насадкой секций на гибкий сердечник, а при меньшем ай увеличивается сложность работ по обеспечению одинаковых зазоров Ь между секциями, прочному закреплению соленоидов на сердечнике и электрическому соединению их выводов.

Относительная длина промежутков между обмотками соленоидов РЛ = Ь/й должна находиться в пределах от 0,2 до 0,5.

Средний диаметр витка й должен выбираться исходя из удобства намотки секции катушки и размещения катушки вокруг примыкающего к соединительной втулке нижнего участка верхней фарфоровой покрышки высоковольтного ввода. Чем больше этот диаметр, тем меньше число витков и длина обмоточного провода. Но при этом растет масса гибкого каркаса катушки, усложняются процессы изготовления ее секций, надевания их на каркас и состыковки концов каркаса после охвата им фарфоровой покрышки. При определении диаметра витка следует учитывать также толщину изоляционного покрытия секций и необходимость размещения катушки на участке между соединительной втулкой и первым кольцевым ребром покрышки. Можно рекомендовать выбирать значения диаметра витка й в интервале от 5 до 8 см.

По чертежу высоковольтного ввода и выбранному среднему диаметру витка ё определяется диаметр Б осевой линии катушки так, чтобы она свободно размещалась на нижнем участке верхней покрышки ввода в непосредственной близости к соединительной втулке.

Расчет секционированной тороидальной катушки Роговского производится в следующем порядке.

1. Определение взаимной индуктивности М катушки и центральной трубы высоковольтного ввода. По заданным значениям номинального тока ввода I, напряжения катушки Е2 и частоты /взаимная индуктивность катушки и токопровода ввода определяется по формуле Е„

2. Определение размеров и числа соленоидов (секций) катушки. Задаются значения диаметра Б осевой линии катушки, среднего диаметра витка ё и длины а соленоида, а также предварительное значение промежутков Ь между обмотанными участками соленоидов.

Находится предварительное значение числа секций катушки: п Б

п =-, которое затем округляется до целого числа.

3. Выбор обмоточного провода. Ток катушки Роговского мал, он составляет доли миллиампера. Поэтому провод выбирается не по его допустимому нагреву, а исходя из удовлетворения трех других условий:

1) обеспечение механической прочности жилы провода и его изоляции в процессе механизированной намотки секций катушки;

2) следует добиваться низкого значения массы катушки;

3) активное сопротивление катушки должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, которая подключается к зажимам катушки.

Последнее условие устраняет большую потерю напряжения в нагруженной катушке.

Этим условиям отвечают провода с полиэфирной изоляцией, имеющие диаметр ём медной жилы в пределах от 0,112 до 0,2 мм, при этом максимальный наружный диаметр изолированного провода ё находится в пределах от 0,14 до 0,24 мм [5].

Поперечное сечение выбранного обмоточного провода рассчитывается по формуле

4. Определение чисел витков соленоидов и катушки. Число витков соленоида находится по следующему выражению [4]:

= 4п • 10 7 Гн/м - магнитная постоянная.

Найденное значение округляется до ближайшего четного числа. Число витков w всей катушки равно nwy

5. Проверка размещения обмотки в два слоя. Рассчитывается минимальная и максимальная длины одного слоя обмотки: a = 0,525 wd и a = 1,05 wd .

mm 7 1 из max 7 1 из

Проверяется выполнение условия a Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Коллеги, не нашел на форуме тем по части обнаружения частичных разрядов.
В последнее время в ТЗ на реконструкцию гидроагрегатов стал встречать следующие фразы:
"система диагностики изоляции, позволяющая измерять частичные разряды в изоляции обмотки статора под напряжением, без отключения генератора. ", нечто подобное встречал и в отношении ротора.
Кто нибудь сталкивался с подобными системами на практике? Что из себя представляет? Как ее можно состыковать с АСУ ТП, какие параметры она выдает?
PS:
В пору моего студенчества нечто подобное пытались реализовать на базе так называемой катушки Роговского, которая одевалась например на ВВ трансформатора и пыталась отлавливать частичные разряды внутри трансформатора.

В настоящее время электроника распространена повсеместно в науке и технике, в быту и на производстве. Во многих технических и научных задачах возникает необходимость производить расчет и анализ электронных схем на этапе проектирования, с учетом изменения условий работы, потерь в узлах схемы. Для этой цели используются различные программные средства.

В данной работе был рассмотрен расчет и анализ схемы для измерения импульсных токов с помощью дифференциального трансформатора тока (пояса Роговского) с помощью пакета программ PSpice. Целью ставилось исследование и моделирование прохождение импульсного сигнала через пояс Роговского, изучение влияние скин-эффекта и эффекта близости на данный датчик и возможности уменьшения данных эффектов.

1. Обзор литературы

При измерении тока в высоковольтных установках, как правило, приходится иметь дело с большими значениями измеряемой величины [1,2]. Не всегда удается измерить такой ток с помощью обычных измерительных приборов. В таких случаях пытаются различными способами уменьшить ток, текущий через измерительный прибор, либо измерить его по косвенным признакам. С этой целью обычно используют шунты, измерительные трансформаторы и датчики Холла. Зная зависимость между измеренным и протекающим в проводнике током, определяют величину последнего [3].

Широкое применение в электронике и микропроцессорной технике нашел пояс Роговского 4. В качестве датчика тока пояс Роговского может быть использован для измерения переменного тока в диапазоне частот от менее 0,1 Гц до десятков МГц. Диапазон измерений тока также впечатляет, он может варьироваться от нескольких миллиампер до более 1 млн. ампер 6. Недавно на основе технологии пояса Роговского начали выпускать доступные датчики с различными корпусами и конструктивными особенностями, в том числе популярные гибкие пояса Роговского. Данные датчики имеют ряд преимуществ перед другими датчиками переменного тока, в большинстве случаев с меньшими финансовыми затратами [11].

Существует ряд моделей имитирующих работу пояса Роговского. В современных исследованиях в стандартной модели данного датчика учитывали скин-эффект [8] и эффект близости [10, 12, 13]. Однако до настоящего момента совместное влияние этих эффектов не было рассчитано. По этой причине данная задача представляет большой интерес. В данной работе производилось моделирование пояса Роговского с учетом эффекта близости и скин-эффекта с помощью программного пакета PSpice.

За всю историю развития электронных схем не было изобретения, которое оказало бы большее влияние на работу специалистов, чем программа PSpice. С появлением PSpice достаточно иметь под рукой стандартный персональный компьютер, чтобы смоделировать работу сложнейших электронных схем [15]. PSpice позволяет расчитывать схемы любой степени сложности, задавать изменения ряда параметров схемы в процессе работы (температуры, сопротивления и т.д.), строить осциллограммы сигнала в любом узле, производить быстрое преобразование Фурье над сигналом и другие необходимые операции. Также данный программный пакет имеет большую базу электронных компонент, которую при необходимости можно самостоятельно расширить.

2. Моделирование и расчет пояса Роговского

Введение

Исследование пояса Роговского производилось в пакете программ PSpice.

Целью ставилось моделирование пояса Роговского, изучение искажений при прохождении импульсных сигналов и расчет влияния скин-эффекта и эффекта близости на работу пояса на высоких частотах.

bukvarev

Guest

И немного дальше обсуждение было.
Отдельно отслушивал катушки также Андрей, после замены в своем ZD-50.

Lazertok

симулятор Шик

Имею желание промоделировать достоинства метода на своих схемах УМЗЧ.
Прошу помощи в создании модели такой "катушки"/ индуктивности.

bukvarev

Guest

Lazertok

симулятор Шик

1. Странно, я эту тему не создавал, пока еще нахожусь в твердой памяти..
2. Катушка не моя, а Роговского . Вот в этому посту коллега Metal написал про желание создать 3D модель каркаса

1. тему инициировал я, и при возможностях движка сайта с его функциями - она стала в таком виде, с переносом поста из другой темы.
2. Извиняйте, спасибо за подсказку.
п.с. к сожалению по 3D каркасу - модель сложно будет воплотить в симулятор Эл. схем, с элементами электроники - RCL.

Lazertok

симулятор Шик

Для уменьшения наводок магнитных полей от искажённых токов со стороны ВК, настоятельно рекомендую использовать идею Букварёва:

приношу свои извинения - катушка не ваша
п.с. прошу модератора изменить название темы на: "Модель индуктивности по Роговскому в ВК УМЗЧ " - (или Роговского, как созвучней будет).

Phantomas

Старожил

У меня тоже есть пара вопросов:
1. При прослушивании в усилителе эта катушка была охвачена ОС?
2. Помогла ли заливка катушки компаундом уменьшить влияние катушки на звук?

Lazertok

симулятор Шик

полагаю что может
- испытывал свой RX-1500 на эквиваленте = 4.7 Ом/40 Ампер (лабораторная нагрузка) намотана нихромом диаметр провода 3- 3.5 мм кв.
- на максимальной мощи Уся - "пела" только в путь, на не вооружённый мой УХ - т.е. на высоких частотах, музыку было слышно от нагрузки
- точнее витки провода издавали звук.

Phantomas

Старожил

На нагрузке этот эффект намного, скорее всего на порядки больше проявляется. Тут скорее проблема в том чем заливать? Будет достаточно мягкого силикона или все таки потребуется эпоксидка.

Lazertok

симулятор Шик

1. по условию - в усе не должно быть возбудов.
2. индуктивность не должна греться
исходя из этого - возможна заливка твердым компаундом .
в руководстве по спайсу (твой сброс в Л/С) - как бы есть расчёты моделей индуктивности с сердечниками и вроде даже термо.

Lazertok

симулятор Шик

Вложения

Модель L в STspice.jpg

bukvarev

Guest

1. Нет, не охвачена. Ввиду малого значения индуктивности (200..300 нГн), необходимость охвата ее ОООС представляется сомнительной. Мы сравнивали катушки, подключая их к выходным клеммам усилителя.
2. Я катушки компаундом не заливал. Фиксировал их на плате эласилом в трех точках.

Lazertok

симулятор Шик

Ввиду малого значения индуктивности (200..300 нГн), необходимость охвата ее ОООС представляется сомнительной.

- согласен - как нелинейный элемент на ВЧ - не даёт видимого выигрыша в спектре.
Отказался от применения всех индуктивностей вообще.
п.с. в свою очередь - Литаврин сделал "ставку" именно на применение глубокой ОООС с индуктивными фильтрами своей конструкции .
- похоже что смоделировать все аспекты с такими индуктивностями в ВК - в симуляторе не получится,
а реальных измерений с подтверждением по улучшению спектра, АФЧХ, КНИ в сравнениях -до / и после, нет.
- слуховые экспертизы для меня не в счёт - всем процессам должны быть теоретические обоснования и измерения в железе.

Phantomas

Старожил

Вся эта гирлянда фильтров на выходе усилителя нужна для того, что бы:
1. Снизить влияние на усилитель сложной, индуктивно-ёмкостной нагрузки в виде акустических систем(АС) и проводов.
2. Ограничить проникновение помехи в цепь ОООС, наведенной на провод подключенный к АС.
Выигрыша в спектре они не несут, тут скорее проигрыш. Что бы снизить искажения от этих фильтров применяют дополнительные петли ОООС которые их охватывают.

Lazertok

симулятор Шик

результаты моделирования
файл в симе 14 с настройками приборов
п.с. второй генератор имитирует "идеальный" отклик АС = 1/2 сигнала в нагрузке

Вложения

Измерения с фильтром.jpg

Измерения с фильтром Сим14.rar

Phantomas

Старожил

Проблема в том, что в жизни вместо идеального генератора, реальный ВК усилителя. А вместо идеальных индуктивностей вполне себе реальные катушки, со своими паразитными емкостями и сопротивлениями, а так же механическими потерями вызванными вибрацией катушки. И чем больший ток протекает через эту катушки, тем больше искажения. Можно также вспомнить какие емкости стоят в фильтрах АС и как там "гуляет" активное сопротивление.

Lazertok

симулятор Шик

Для того чтобы увидеть в симуляторе какие искажения вносит фильтр, а также изменение АФЧХ, спектра, режимов по току ВК,
в сравнении с исходным сигналом - вовсе не обязательно иметь модель усилителя с реальными искажениями.
Механические воздействия на индуктивность, мизерные даже в железе и легко минимизируются заливкой.
В моей модели взят максимальный случай - стандартная индуктивность в 3 uH и отклик от АС в половину амплитуды полезного сигнала.
Результат показан в картинках с идеальным усилителем (генератором) без ООС - искажений нет в полосе 20Гц - 20кГц и выше тоже,
с учётом полосы среза фильтров и отклика АС. Не думаю что в железе будут улучшающие показатели в измерениях от таких "костылей".
Вывод: идеальному усилителю не нужны "костыли" в виде различных фильтров по ВЧ, а также без которых ему даже легче становится.
Усилителю в железе с повышенными, реальными искажениями всех видов - наверное эти костыли просто необходимы.
п.с. сегодня провёл эксперимент - включил свои трёх полоски SYM -3, мордой друг к другу - одна запитана от Уся,
другая включена вместо микрофона в другой Усь. Кабели "штатные - 3 кв мм."
Результат: на средней мощности первой АС, вторая АС включенная микрофоном и работающая как микрофон - не перегружает микрофонный вход, а значит и не развивает большую амплитуду от воздействующего сигнала от первой АС.
Хорошему Усю (да и реальному как в моём эксперименте) - это как слону дробина, по отклику с фильтрами в АС .
До этого ещё моделировал в нагрузке с 3-х полосными фильтрами, смоделированные по фильтрам реальной АС (Тоннои)
- моему Усю в модели, коротко - "по барабану".

Читайте также: