Вимірювання струму котушкою Роговського — принцип di/dt, інтегрування і чому постійний струм виміряти неможливо

Гід про токовимірювальні кліщі розглядає два поширені принципи кліщів: трансформатор струму із залізним осердям (лише змінний струм) і датчик Холла (змінний і постійний струм). Ця стаття розглядає третій принцип вимірювання струму, поширений в аналізаторах якості електроенергії, тестових комплектах для реле захисту та реєстраторах аварійних процесів: котушку Роговського — гнучку котушку без осердя, яка працює принципово інакше, ніж обидва попередні варіанти.

Конструкція: гнучка котушка без залізного осердя

Котушка Роговського — це тороїдальна обмотка, зазвичай на гнучкому немагнітному каркасі, яка намотується у вигляді розімкненої петлі навколо вимірюваного провідника, а потім замикається на обох кінцях (механічно защіпається або підключається через відповідний роз'єм до електронного блоку котушки). На відміну від звичайних кліщів із трансформатором струму, всередині котушки немає феромагнітного осердя — обмотка оточує провідник безпосередньо, а єдиним магнітним середовищем є повітря.

Принцип роботи: вихідний сигнал пропорційний di/dt

Оскільки котушка Роговського не має осердя для концентрації магнітного поля, вона не створює вихідний струм так, як це робить трансформатор струму із залізним осердям. Натомість, за законом взаємної індукції Фарадея, магнітне поле, що змінюється навколо провідника, наводить у котушці вихідну напругу, пропорційну швидкості зміни струму (di/dt), а не самому струму. Щоб отримати сигнал, який відображає реальну форму струму, цю напругу di/dt потрібно пропустити через інтегратор — або аналогову інтегрувальну схему всередині спеціального електронного блоку котушки, або цифрову функцію інтегрування в сучасному осцилографі чи тестовому комплекті для реле захисту. Котушка Роговського, підключена безпосередньо до входу вольтметра чи осцилографа без інтегрування, показує сигнал, пропорційний похідній струму, а не самому струму, і без розуміння цього принципу її легко помилково прийняти за пошкодження чи шум.

Немає осердя — немає насичення: головна практична перевага

Оскільки феромагнітне осердя відсутнє, котушка Роговського не може насичуватися, незалежно від величини первинного струму. Це дає дуже широкий динамічний діапазон порівняно з трансформатором струму із залізним осердям (який, як розглянуто в гіді про клас захисту ТС і напругу насичення, може насичуватися при важкому пошкодженні чи сильно зміщеному перехідному процесі). Ця властивість робить котушки Роговського добре придатними для:

• Реєстрації струмів пошкодження й короткого замикання, включно зі зміщеними, асиметричними формами хвилі.
• Вимірювання струму силової електроніки та частотних перетворювачів, де швидко перемикані ШІМ-струми спотворювалися б у насичувальному залізному осерді.
• Випробувальних робіт з дугових спалахів і струмів блискавки, де піковий струм може у багато разів перевищувати номінальне стаціонарне значення звичайного ТС.

Чого вона принципово не може: вимірювати стаціонарний постійний струм

Стаціонарний постійний струм не спричиняє зміни навколишнього магнітного поля, тому di/dt = 0, і вихідна напруга котушки також дорівнює нулю — котушка Роговського принципово не може вимірювати стаціонарний постійний струм, незалежно від якості інтегратора. Це дзеркальне відображення кліщів із трансформатором струму лише для змінного струму з гіда про токовимірювальні кліщі: там кліщі відмовляють на постійному струмі через принцип ТС із залізним осердям, а котушка Роговського відмовляє на постійному струмі, бо не має способу сприйняти незмінне поле. Для дійсно змішаного вимірювання змінного/постійного струму чи чисто постійного струму (PV-стрічка, зарядний пристрій акумулятора, точка зарядки постійним струмом) правильним вибором залишається датчик Холла, а не котушка Роговського.

Практичні моменти при використанні котушки Роговського

• Замикання петлі має значення. Котушка повинна утворювати правильно замкнену петлю навколо провідника; погано з'єднаний або зміщений роз'єм у точці замикання створює розрив у вимірювальній петлі й дає ненадійний результат — загалом порівнянно з не до кінця замкненими губками кліщів із ТС.
• Положення провідника всередині петлі відносно неважливе для якісно виготовленої котушки з рівномірною щільністю обмотки (принцип котушки Роговського/Чаттока за конструкцією значною мірою нечутливий до того, де саме всередині петлі перебуває провідник) — але розташований поруч, не охоплений котушкою провідник з великим струмом усе ж може навести невеликий паразитний сигнал у вимірювання.
• Смуга пропускання широка, але не безмежна. Конкретна комбінація котушки та інтегратора характеризується виробником для певного діапазону частот; дуже низькочастотні чи близькі до постійного струму складові змінного струму можуть виходити за межі точно охарактеризованого діапазону, навіть якщо котушка технічно все ще на них реагує.
• Котушки Роговського рівня реле захисту, застосовувані як малопотужні трансформатори струму (LPCT) усередині розподільчих пристроїв, охоплюються стандартом IEC 61869-10; універсальний вимірювальний/тестовий пробник Роговського для осцилографа зазвичай характеризується лише власною специфікацією точності та смуги пропускання виробника, а не формальним класом точності вимірювального трансформатора.

Типові помилки

1. Зчитувати необроблений вихідний сигнал котушки як струм, не пропускаючи його через відповідний інтегратор — необроблений сигнал пропорційний di/dt, а не струму, і зовсім не схожий на реальну форму струму.
2. Намагатися виміряти стаціонарний постійний струм котушкою Роговського — вихідний сигнал принципово дорівнює нулю при незмінному полі; для постійного струму потрібні кліщі чи датчик на основі ефекту Холла.
3. Залишати роз'єм петлі погано з'єднаним — не повністю замкнена петля створює розрив, що дає ненадійний, часто занижений результат, порівнянно з не до кінця замкненими губками кліщів із ТС.
4. Припускати, що для всіх продуктів Роговського діє один універсальний клас точності — LPCT рівня реле захисту за IEC 61869-10 і універсальний вимірювальний пробник характеризуються зовсім по-різному; завжди перевіряйте специфікацію виробника для передбачуваного застосування.

Пов'язані матеріали

• Токовимірювальні кліщі — лише змінний струм проти змінного/постійного струму (ефект Холла)
• Клас захисту трансформатора струму (5P/10P) і напруга насичення
• True RMS проти мультиметра із середньовипрямленим значенням