Калибровка резистора с гармоническим отслеживанием

Если кто говорит, что калибровка резистора с гармоническим отслеживанием — это просто проверка по эталону на постоянном токе, можно смело отправлять его перечитывать матчасть. Тут вся соль в динамике, в реакции на искажения, которые в реальной сети — как грязь на дороге, всегда есть. Многие, особенно на производствах вроде сборки НКУ/ВКУ, закупают дорогущие прецизионные шунты или делители, а потом годами их не перепроверяют в условиях, хоть отдалённо напоминающих рабочие — с высшими гармониками. А потом удивляются, почему защита на предохранителях, скажем, серии RSY, срабатывает с опозданием или, наоборот, ложные отключения. Потому что измерительная цепь, в которой стоит этот резистор, уже врёт.

Где собака зарыта: нелинейность на высоких частотах

Вот смотрите. Берём, казалось бы, добротный проволочный резистор из медно-марганцевого сплава. На постоянном токе его ТКС прекрасен, уходит в пару десятков ppm/°C. Качаем его на мосте — полная порядкуха. Ставим в цепь контроля тока перед быстродействующим предохранителем для защиты полупроводников, например, тем же NGT от ООО Сиань Суюань Электроприборы. А в сети у нас частотный привод работает, или сварочный инвертор. Появляется гармоника, условно, 2.5 кГц. И тут начинается: из-за скин-эффекта и паразитной индуктивности намотки активное сопротивление резистора растёт. Но растёт нелинейно по отношению к частоте. И фаза тока через него и напряжения на нём — тоже плывёт.

Калибровка же, о которой речь, как раз и должна это поймать. Не просто измерить сопротивление на 50 Гц, а построить его АЧХ и ФЧХ в интересующем диапазоне гармоник — скажем, до 40-й или 50-й гармоники для сетевого оборудования. Это та самая ?гармоническая? часть. А ?отслеживание? — это уже методология: как ты это делаешь. Можно дискретно, на сетке частот. А можно — что ближе к реальности — подавать несинусоидальный сигнал, близкий к реальному току нагрузки, и смотреть отклик всей измерительной цепи в сборе.

Я как-то сталкивался с историей на одном заводе КРУ. Там стояли наши ограничители перенапряжений, и система мониторинга заземляющего тока через резистивный делитель. Жаловались на скачки в показаниях. Оказалось, калибровку делителя проводили чистым синусом, а в сети из-за работы дуговых печей был настоящий зоопарк из гармоник. Резистор в делителе, особенно в его высокоомном плече, вёл себя как плохая катушка на высоких частотах. Показания, естественно, прыгали. Перешли на калибровку с помощью генератора несинусоидальных сигналов, подобрали резисторы с иной конструкцией (пленочные, с низкой индуктивностью) — всё устаканилось.

Инструментарий: что нужно кроме хорошего LCR-метра

Здесь многие спотыкаются на первом же шаге. Думают, что многофункциональный прецизионный измеритель импеданса — это панацея. Ан нет. Большинство таких приборов дают точные данные на одной частоте. А нам нужен спектр. Поэтому базовый набор — это генератор сигналов произвольной формы (ARB) с хорошим быстродействующим ЦАП и двухканальный осциллограф с дифференциальными пробниками или прецизионный анализатор спектра. Лучше, конечно, специализированный анализатор импеданса, который умеет сканировать по частоте, но такие штуки — редкость в цеховых лабораториях.

Критически важный момент — коммутация и подключение. Четырёхпроводная (Kelvin) схема подключения — это святое. Любая лишняя миллиметровая петля в проводе — это добавленная индуктивность, которая исказит результат на высоких частотах. Я для особо точных измерений паял миниатюрные гнезда прямо на выводы резистора и использовал коаксиальные переходы. Да, это долго, но погрешность от наводок падала в разы.

И ещё про температуру. При динамическом измерении, когда через резистор протекает ток с богатым спектром, его нагрев неравномерен из-за того же скин-эффекта. Особенно это чувствительно для мощных шунтов. Поэтому калибровку нужно проводить не только в термостате, но и при токе, близком к рабочему. Или как минимум строить поправочную модель, учитывающую и частоту, и температуру. Без этого калибровка высоковольтного токоограничивающего предохранителя для защиты конденсаторных батарей, где токи могут быть сильно несинусоидальными, превращается в гадание на кофейной гуще.

Провальная попытка и урок

Расскажу про свой косяк, чтобы было понятнее. Как-то потребовалось откалибровать датчик тока на основе низкоомного шунта в цепи постоянного тока для системы с солнечными инверторами. Продукция вроде предохранителей для фотоэлектрических систем SYPV от ООО Сиань Суюань Электроприборы как раз для таких применений. Думал, на постоянном токе — всё просто. Взял эталонный источник тока, прецизионный вольтметр. Откалибровал. Поставили в поле. А система мониторинга начала выдавать ошибки. Оказалось, инвертор генерировал не чистый постоянный ток, а с высокочастотной пульсацией в десятки килогерц. Мой шунт, из-за своей паразитной индуктивности, на этих частотах имел уже другое полное сопротивление. Измеренная на постоянном токе калибровка оказалась бесполезной. Пришлось снимать, исследовать на анализаторе импеданса до 100 кГц и вносить частотную поправку в прошивку измерительного модуля. С тех пор для любой цепи, даже заявленной как ?постоянного тока?, смотрю реальный осциллограмму рабочего тока в первую очередь.

Встраивание в производственный цикл: не для галочки

На серьёзных предприятиях, которые делают, например, комплектные распределительные устройства, этот процесс не должен быть разовой акцией ?для сертификации?. Это должно быть звеном в ОТК. Особенно для цепей, связанных с защитой. Допустим, вы производите ячейку с предохранителями для защиты трансформаторов. Там, где важен точный ток срабатывания, датчик на основе калиброванного резистора — это глаза защиты. Если он врёт на 5-й гармонике, которую щедро генерируют современные нагрузки, то вся уставка защиты съезжает.

Идеально — иметь эталонный измерительный тракт, сам прошедший калибровку с гармоническим отслеживанием в аккредитованной лаборатории. А уже под него подгонять рабочие измерительные каналы на производстве. Методология сравнения. Это дорого, требует выделенного персонала, но это снимает массу головной боли с гарантийных случаев. Ведь если предохранитель, скажем, серии RT16 (NT) с высокой отключающей способностью, не сработал, а оборудование сгорело, одним из первых вопросов будет: а точно ли система измерения тока выдавала верный сигнал?

У нас на объекте внедряли такую систему для тестирования низковольтных предохранителей высокой отключающей способности. Создали стенд, где моделировался ток короткого замыкания с преднамеренно внесёнными гармониками (как в реальной сети с мощными выпрямителями). И каждый измерительный шунт на этом стенде проходил калибровку по полной программе — с гармониками. Время на подготовку выросло, но количество спорных результатов по времени срабатывания предохранителей упало практически до нуля.

Связь с продукцией защиты: почему это важно для конечного пользователя

Конечному пользователю, будь то государственная электросеть или завод, глубоко всё равно, как вы откалибровали резистор в своём контрольном оборудовании. Ему важно, чтобы защита срабатывала вовремя и не ложничала. Но именно эта, невидимая ему, калибровка является одним из китов, на которых стоит эта надежность. Возьмём, к примеру, высоковольтный предохранитель для защиты ветроустановок. Ветрогенератор — это источник нестабильного, сильно искажённого тока. Система контроля, которая должна дать команду на отключение при перегрузке, обязана корректно измерять действующее значение этого несинусоидального тока. А основа такого измерения — правильно охарактеризованный датчик тока.

Поэтому когда компания вроде ООО Сиань Суюань Электроприборы разрабатывает новые серии предохранителей, например, для конденсаторов или двигателей, она должна либо сама иметь компетенции по верификации измерительных цепей в несинусоидальных режимах, либо очень тщательно подбирать поставщиков компонентов для стендов испытаний. Иначе паспортные характеристики времени-тока, снятые на идеальном синусе, могут разойтись с реальностью в поле. А это — репутация и риски.

В итоге, калибровка резистора с гармоническим отслеживанием — это не академическое упражнение. Это сугубо практическая, даже приземлённая операция, которая напрямую влияет на точность работы защитной аппаратуры в современных сетях, насыщенных нелинейными нагрузками. Делать её спустя рукава — значит закладывать мину под собственное изделие или систему, в которую оно встроено. Делать её с пониманием физики процесса и с правильным инструментом — значит добавлять ту самую надежность, которую в электроэнергетике ценят выше всего.