Датчики тока для измерения тока утечки

Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

• Контактные группы входа;
• Контактные группы выхода;
• Шунтирующий резистор;
• Усилитель сигнала;
• Несущая плата;
• Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

• Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
• Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
• В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
• Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

• Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
• Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

• Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
• Возможность применения трансформаторов;
• Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
• Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
• Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
2. Резистор 1 кОм.
3. Резистор 470 Ом.
4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Видео по теме

Источник

Распознать токи утечки на раннем этапе: RCM-устройства от Phoenix Contact

Измерение дифференциальных токов в энергетических установках и системах представляет собой эффективную профилактическую меру по сокращению простоев производства и затрат, связанных с ними, а разработанные компанией Phoenix Contact RCM-устройства помогут избежать отключения энергоустановки.

Защита от импульсных перенапряжений влияет на качество электроэнергии и сигналов. Повышение степени работоспособности энергосистем становится все более важным фактором успеха для эксплуатирующих компаний. В современных производственных условиях промышленные комплексы и другие системы часто должны работать круглосуточно в условиях полной загрузки.

Безаварийная работа в тяжелых промышленных условиях является важным фактором успеха. В сложных промышленных комплексах, оборудованных современными системами управления с обратной связью и без нее, даже мелкие неполадки могут иметь серьезные последствия. Здесь очень важно добиться высокой степени эксплуатационной готовности производства и систем, а также повышенного уровня безопасности для людей, животных и имущества за счет выполнения соответствующих мер.

Оператор любой энергосистемы стремится обладать подробной информацией о состоянии вверенного ему объекта, особенно с точки зрения экономической перспективы. В этом отношении большим плюсом является возможность заблаговременного выявления потенциальных дефектов или неисправностей для принятия соответствующих мер по их профилактике. Эксплуатирующие компании могут приблизиться к этой цели путем использования нового поколения устройств контроля дифференциальных токов — серии RCM (residual current monitor) от Phoenix Contact.

Одной из потенциальных угроз безопасности энергосистем объекта являются токи утечки, вызванные дефектами изоляции. Достигнув определенного значения, они представляют серьезную угрозу безопасности электротехнических установок.

Соответствующее предохранительное устройство распознает токи утечки. Благодаря этому можно устранить дефекты изоляции и обеспечить эксплуатационную готовность установки.

На сегодняшний день для распознавания дефектов изоляции часто используются автоматические защитные выключатели, срабатывающие при обнаружении утечки. В случае обнаружения неисправности они отключают устройство от сети питания.

В первую очередь это обеспечивает безопасность пользователей. Однако в случае непланомерного отключения возникают простои, которые влекут за собой возрастание затрат.

Устройства контроля разностного тока (RCM) распознают токи утечки на раннем этапе и сигнализируют о них прежде, чем будет достигнуто критическое значение, после чего происходит отключение оборудования.

Поэтому измерение разностного тока в электрическом оборудовании относится к профилактическим противопожарным мероприятиям и мероприятиям по техническому обслуживанию. Оно позволяет сократить периоды простоя и связанные с ним издержки.

Внеплановые простои

Сегодня безопасность энергосистем достигла достаточно высокого уровня, что не в последнюю очередь является результатом применения широкого диапазона стандартов. Этот высокий уровень безопасности частично достигается с помощью защитных элементов: автоматических выключателей и устройств защиты по разностному току, выключателей автоматических дифференциальных (дифавтомат), которые в случае пробоя своевременно изолируют индивидуальные нагрузки или цепи целиком. Однако мгновенное отключение нагрузки при реакции устройства защиты по разностному току на высокий разностный ток заданной величины не всегда желательно с точки зрения работоспособности оборудования, так как отключение производится без предварительного оповещения. Как следствие, эксплуатирующая компания лишается возможности выполнять профилактические мероприятия.

Высокие разрядные токи, гармоники и электромагнитные поля являются дополнительными факторами, отрицательно сказывающимися на работоспособности энергосистем. Таким образом, проектировщики, монтажники и операторы сталкиваются с задачей заблаговременного выявления подобных эффектов и их устранения с помощью подходящей схемы защиты, которая обеспечит безопасную эксплуатацию. Косвенно часть таких негативных эффектов устраняется путем выбора на этапе проектирования системы заземления типа TN-S — конфигурации сети с раздельными защитным и рабочим нулем (N и PE).

Хотя частоту появления высоких импульсных разрядных токов, помех и электромагнитных полей можно снизить до минимума за счет грамотного проектирования, дифференциальные токи утечки, вызванные пробоями изоляции, невозможно полностью исключить (даже при идеальном проектировании). Эти сложно прогнозируемые события оказывают сильное влияние на эксплуатационную готовность всех энергосистем.

Постоянный контроль

Постоянный контроль сетей питания на наличие токов утечки на землю (или токов нулевой последовательности) позволяет повысить эксплуатационную готовность и работоспособность энергосистем и исключает вероятность появления внештатных ситуаций. Такой контроль также дает возможность получать информацию о реальном состоянии питающей сети. Продукция серии RCM-A и RCM-B (RCM = residual current monitor = контроль разностных токов) Phoenix Contact — это устройства контроля дифференциальных токов согласно стандарту DIN EN 62020 (VDE 0663), полностью удовлетворяющие данным требованиям и доступные в следующих модификациях:

1) Типа А для обнаружения переменного тока утечки и пульсирующего постоянного тока утечки;

2) Универсальные типа В, способные обнаруживать все виды токов утечки: переменный, пульсирующий постоянный, «чистый» постоянный на землю. Устройства контроля дифференциальных токов выявляют повреждения изоляции на ранней стадии (рис. 1).

Рис. 1. Остановка энергосистемы из-за пробоев изоляции, приводящих к токам утечки на землю

Результаты контроля постоянно отслеживаются, и по достижении заранее установленных предельных величин подается сигнал тревоги. Заблаговременно получая такую информацию, эксплуатирующая компания может устранить проблему до вынужденного отключения системы. Повреждения могут легко отслеживаться и ликвидироваться в нерабочее время. Это существенно повышает эксплуатационную готовность энергосистем.

Режим работы устройств
контроля дифференциальных токов

Принцип работы устройств контроля дифференциальных токов или токов утечки на землю базируется на природе появления дифференциального тока, описанной в законах Кирхгофа, согласно которым протекающий по фазному проводу ток должен быть численно равен току, протекающему по рабочему нулю. Как следствие, такие устройства могут использоваться в заземленных системах TN-S и ТТ. Этот принцип использует не фактически измеренную величину, а текущую, вычисляемую в дифференциальном трансформаторе тока и в устройстве контроля дифференциальных токов. Дифференциальный ток возникает в силовых проводах и затем наводится в дифференциальном трансформаторе RCM-SCT (рис. 2).

Рис. 2. Прокладка активных проводников через трансформатор тока для вырабатывания дифференциального тока

В полностью исправной сети питания сумма всех токов, протекающих через трансформатор, равна нулю, поэтому во вторичной обмотке трансформатора напряжение не индуцируется. Если происходит пробой изоляции, часть рабочего тока потечет через проводник заземления и в результате появления разности между токами индуцируется напряжение.

Это наведенное напряжение оценивается подключенным устройством контроля дифференциальных токов, и оно подает сигнал, если дифференциальный ток выше выбранного порога срабатывания. С применением устройства защиты по дифференциальному току установка или система будет отключена.

Предварительные настройки устройства RCM — предельно допустимый разностный ток и порог срабатывания сигнализации — могут индивидуально подбираться под конкретные требования. Ряд светодиодов постоянно сигнализирует о фактической величине тока в процентном соотношении к заданной величине. Контрольное устройство имеет два отдельных электрически изолированных перекидных сухих контакта, передающих сигналы предварительной и основной тревоги (рис. 3).

Рис. 3. Компактный демонстрационный образец (настройки устройства и состояние установки могут быть определены с первого взгляда)

Входное напряжение на измерительное устройство может подаваться в широком диапазоне 85…264 В с частотой 50/60 Гц, что обеспечивает универсальность в использовании. На рис. 4 показана схема установки устройства типа А.

Рис. 4. Схема установки устройства типа А

Токи нулевой последовательности
с частотами свыше 20 кГц

Универсальная серия устройств контроля дифференциальных токов (тип В) сегодня весьма востребована в промышленных приложениях. Из-за широкого применения электронного оборудования, например, частотных преобразователей, в современных системах все чаще и чаще возникают дифференциальные токи в высокочастотном диапазоне. Они оказывают сильное негативное влияние на работу энергоустановки. Устройства серии RCM-B могут обнаружить переменные дифференциальные токи вплоть до частоты 100 кГц и сигнализировать о них. Как следствие, они превосходят требования стандарта DIN V VDE 0664-110, вступившего в силу в июле 2009 г. и определяющего необходимость обнаружения токов короткого замыкания вплоть до 20 кГц.

Устройства RCM могут настраиваться в зависимости от требований, предъявляемых к защищаемой установке или системе, посредством задания порога срабатывания. Это означает, что устройства могут устанавливаться распределенным способом, поиск неисправностей упрощается, а стоимость техобслуживания снижается. Вот почему при решении трудоемкой задачи по определению местонахождения пробоя повреждение может быть быстро и точно локализовано.

Устройства контроля дифференциальных токов могут выявлять токи нулевой последовательности следующих видов: «чистый» переменный, пульсирующий постоянный (тип А), а также «чистый» постоянный (тип В) вплоть до частоты 100 кГц. Эти универсальные устройства играют важную роль в повышении степени эксплуатационной готовности энергетических установок и систем. Как следствие, они позитивно влияют на экономическую эффективность и конкурентоспособность предприятия в целом.

Помимо двух версий устройств (тип А и В) также имеются трансформаторы тока с внутренними диаметрами 20…210 мм (рис. 5). Таким образом, проводники (а также электрические шины) малых и средних размеров могут быть легко проложены через соответствующий трансформатор тока.

Рис. 5. Трансформаторы тока с внутренними диаметрами 20… 210 мм

Следует понимать, что максимально допустимый внешний диаметр кабеля/кабелей должен быть в полтора раза больше внешнего диаметра питающих проводов (см. таблицы 1 и 2).

Таблица 1. Допустимый диаметр проводов для устройств типа А

RCM-A- SCT-20	RCM-A-SCT-30	RCM-A-SCT-35	RCM-A-SCT-70	RCM-A-SCT-105	RCM-A-SCT-140	RCM-A-SCT-210
2806045	2806058	2806061	2806074	2806087	2806090	2806100
13 мм	20 мм	23 мм	46 мм	70 мм	93 мм	140 мм

Таблица 2. Допустимый диаметр проводов для устройств типа В

Источник

Коварный ток утечки

Проектирование, монтаж и реконструкция систем электроснабжения зданий и сооружений подразумевают внедрение трехпроводной (в быту) или пятипроводной (в промышленности) схем подключения электрооборудования: к фазным и нулевому рабочему проводникам добавляется нулевой защитный проводник.

Любое нарушение последовательности по данным схемам приводит к неуправляемому растеканию токов по металлоконструкциям, трубопроводам систем водоснабжения и ОВК зданий, т.е. к возникновению токов утечки.

А ток утечки, как и блуждающий ток, приводит к коррозионному воздействию на эти системы.

Током утечки называют ток, обусловленный несовершенством изоляции, протекающий в землю или на сторонние проводящие части в электрически неповрежденной цепи.

Основными причинами возникновения тока утечки являются:

• ошибки монтажа электрооборудования (подключение нулевого рабочего проводника к клемме нулевого защитного проводника, подключение нулевого защитного проводника к клемме нулевого рабочего проводника, подключение под один контактный зажим обоих проводников);
• нарушение изоляции электроустановок и нулевых рабочих проводников вследствие перегрева или механических повреждений;
• нарушение контактных соединений нулевых рабочих проводников.

Величина тока утечки «на землю» зависит от величины сопротивления изоляции проводника, которая, в свою очередь, имеет ограниченное значение, и от напряжения сети. Через изоляцию из любой находящейся под напряжением токоведущей части оборудования постоянно протекает незначительная величина тока, безопасное значение которой регламентируется соответствующими актами и называется «нормой тока утечки». Существуют специальные устройства защиты от токов утечки «на землю» — устройства защитного отключения (УЗО). По закону равенства втекающих и вытекающих из узла токов, сумма тока утечки и тока нейтрали (вытекающие из узла) равна току фазы (втекающий в узел). Величина разницы токов (даже наименьшая), протекающих через УЗО в случае появления тока утечки, и будет равна значению тока утечки.

Стоит отметить, что при отсутствии заземления (не в смысле специального провода, а в смысле заземленных предметов или оборудования) применение УЗО не имеет смысла, так как возникновение тока утечки невозможно без наличия заземления. Основной задачей УЗО является отключение электропитания при превышении нормативного значения током утечки, появлении опасности для жизни людей, выхода из строя оборудования или возникновения пожара.

Поэтому помимо контроля и измерения тока утечки, важно также проверять и тестировать УЗО, для чего существуют специальные тестовые измерительные приборы, позволяющие проводить измерения без отключения УЗО. Измерительные приборы для тестирования УЗО помогают определить 2 основных рабочих параметра устройств — ток срабатывания и время срабатывания УЗО, исходя из которых делаются выводы о возможности дальнейшего применения этих устройств.

Хотя величина тока утечки в сотни раз меньше величины основного (фазного) тока, иногда ее значения могут увеличиваться и достигать опасных для жизни величин (при 16мА человек начинает терять способность самостоятельно освободиться от контактов, находящихся под напряжением, и подвергается смертельной опасности при длительном воздействии с ними; от 100 мА — смертельный ток).

Это может быть связано с уменьшением сопротивления человека электричеству по разнообразным причинам (повышенная влажность, наличие соли на коже и т.п.). Но самым настораживающим является то, что присутствует этот ток в неповрежденной цепи. Поэтому измерять ток утечки необходимо! Для этого существуют специальные токоизмерительные клещи, способные определять малые токи, или так называемые клещи для измерения микротоков.

При использовании токоизмерительных клещей для измерения токов утечки не придется отключать электрооборудование от сети, что является преимуществом при проведении измерений на режимных объектах и больших промышленных предприятиях. Грамотный контроль, своевременное проведение измерений и выявление дефектов (нарушения изоляции, ухудшения соединения контактов проводников и т.п.) на ранних стадиях, т.е. до наступления аварий и устранения последствий, помогут не только обезопасить работу персонала, но и уберегут от внезапного выхода из строя технологического оборудования.

Источник: Gossen-Metrawatt

Источник

Измерение тока и утечки тока токовыми клещами АТК-1001

Внимание! При измерениях тока убедитесь, что все измерительные щупы отключены от входных разъемов.

Отключайте прибор от цепи при переключении диапазонов.

1) Установите переключатель режимов на подходящий диапазон постоянного или переменного тока. Если вам неизвестен порядок измеряемой величины, рекомендуется устанавливать наибольший из возможных пределов измерений. Модель предназначена для измерения только силы переменного тока (в том числе тока утечки в одно- и многофазных

сетях) и имеет 5 диапазонов: «40мА» / «400мА» / «4А» / «40А» / «100А». Выберите частотный диапазон переключателем (Рис. 1, п.4 Руководства по эксплуатации).

Примечание: Электротехнические характеристики используемого в этих токовых клещах трансформатора столь высоки, что он имеет очень широкий частотный отклик. В связи с этим в результат измерений может вноситься погрешность, вызванная влиянием высокочастотных составляющих. Для устранения влияния высокочастотного шума в приборе имеется низкочастотный фильтр (переключатель частоты на «50/60»). Частота обрезания = 100 Гц (затухание 24 дБ/октаву). Для измерения сигнала, включающего высокочастотные составляющие в диапазоне 40 Гц…1 кГц переключатель должен быть установлен в положение «Wide». Необходимо произвести измерения в обоих положениях переключателя частоты и проанализировать разность показаний. Большое значение является признаком высокочастотной природы измеряемого сигнала.

2) Нажмите кнопку ZERO для установки показаний прибора на «0».

Внимание! В связи с высокой чувствительностью прибора во избежание помех от внешних магнитных полей установка «0» должна производиться при той же ориентации прибора, что и при измерении.

3) Для проведения измерений полностью охватите провод (только один) кольцом магнитопровода, замкнув его вновь. Наличие воздушного зазора в месте замыкания магнитопровода не допускается.

4) Считайте результат измерения с ЖКИ.

Примечание: Для измерения тока утечки на землю, а так же тока утечки в 1- и многофазных цепях переменного тока охватите кольцом магнитопровода провод заземления, 2 провода питания однофазной линии (1Ф2W), 3 провода 3-фазной линии (3Ф3W), 4 провода 3-фазной 4-проводной линии (3Ф4W).

Источник