 |
Измерительные информационные 7 глава
|
|
|
|
цепи – 2,5; 5; 10; 25; 30; 40; 60; 75; 100 Вт; классы точности
трансформаторов тока – 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10,0.
Измерительные трансформаторы переменного тока
Для удобства и безопасности измерения тока установок высо- кого напряжения ток вторичной цепи с помощью трансформатора тока изменяется до стандартного значения 5А или 1А.
Измерительные приборы и реле выполняются на эти токи и включаются в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, один вывод которой обязательно заземляется (рис. 2.13).
TA Z2
~
Z1
Рис. 2.13. Схема включения трансформатора тока
В случае повреждения изоляции трансформатора приборы и реле остаются под потенциалом земли. Отличительной особенно- стью режима работы трансформатора тока является то, что пер- вичный ток не зависит от режима работы его вторичной цепи и остается неизменным при замыкании накоротко или размыкании вторичной цепи. Это связано с тем, что ток в первичной обмотке определяется сопротивлением нагрузки Z1, которое на несколько порядков выше, чем входное сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки при любом значении сопротивления Z2. Поэтому предохранитель во вторичной цепи не ставится, так как разрыв этой цепи является аварийным режимом для транс- форматора тока.
Основными параметрами трансформаторов тока являются:
· номинальное напряжение — линейное напряжение системы, в которой трансформатор тока должен работать. Это напряжение определяет сопротивление изоляции между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной, один ко- нец которой заземлен;
· номинальный первичный и вторичный токи — токи, на кото- рые рассчитан трансформатор. Трансформаторы тока обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20% выше номинального значения;
|
|
|
· номинальный коэффициент трансформации – отношение номинального первичного тока I 1ном к номинальному вторичному току I 2ном:
kном = I 1 ном / I 2 ном.
На практике действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие потерь в трансформаторе. Раз- личают погрешности: токовую, угловую и полную;
· токовая погрешность, %, определяемая выражением:
g = kномI 2- I 1100,
I I 1
где I 2 – вторичный ток; I 1 – первичный ток.
В реальном трансформаторе вторичный ток сдвинут по фазе относительно первичного на угол, отличный от 180°. Для отсчета угловой погрешности вектор вторичного тока поворачивают на 180°. Угол между этим вектором и вектором первичного тока называют угловой погрешностью. Если перевернутый вектор вторичного тока опережает первичный ток, то погрешность по- ложительная, если отстает, то погрешность отрицательная.
Погрешность по углу измеряется в минутах.
Класс точности говорит о допустимой погрешности по току в процентах при номинальных условиях Z2=Z2н.
Наряду с токовой и угловой погрешностью вводится понятие
полной погрешности, %, характеризующей относительный намагничивающий ток:
100 1 T 2
|
dt,
где I 1 – действующее значение первичного тока; i 2 – мгновенное значение вторичного тока; i 1 – мгновенное значение первичного тока; Т –период частоты переменного тока (0,02 с);
· номинальная нагрузка трансформатора тока – сопротив- ление нагрузки Ом, при котором трансформатор работает в своем классе точности при cos φ2ном= 0,8. Иногда применяется понятие номинальной мощности:
Поскольку ток I 2ном стандартизован, то номинальное сопро- тивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощ- ность трансформатора;
· номинальная предельная кратность – кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой погрешность по току достигает 10%. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными;
|
|
|
· максимальная кратность вторичного тока – отношение наибольшего значения вторичного тока к его номинальному при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вто- ричного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.
Трансформаторы тока обтекаются током короткого замыка- ния, и его обмотки подвергаются воздействию больших токов;
· динамическая стойкость (кратность) – отношение допу- стимого ударного тока к амплитуде номинального первичного тока;
· термическая стойкость (кратность) – отношение допу- стимого в течение 1 с тока короткого замыкания к номинальному значению первичного тока.
Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наиболь- шим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насы-
щением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.
Режим работы трансформатора тока является, по существу, режимом короткого замыкания. Трансформатор тока не должен давать больших погрешностей при номинальном токе и коротком замыкании.
Для того чтобы трансформатор удовлетворял определенному классу точности, погрешность должна находиться в допустимых пределах. Класс точности трансформатора определяется его по- грешностью в процентах при первичном токе (100... 120) I 1ном.
В зависимости от числа витков первичной обмотки различают
одновитковые и многовитковые трансформаторы тока.
В одновитковом трансформаторе первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня или пакета шин. Примером тако- го исполнения является трансформатор ТПОЛ-10 с литой изоля- цией. Большим достоинством одновиткового исполнения являет- ся его высокая электродинамическая стойкость, так как на пер- вичную обмотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз.
При выборе трансформатора тока необходимо учитывать, что его реальной нагрузкой являются не только обмотки приборов и реле, но и сопротивления соединительных проводов.
|
|
|
Измерительные трансформаторы напряжения
Они служат для преобразования высокого напряжения в низ- кое напряжение стандартной величины, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принято 100 В или 100 √3 В. Это позволяет для измерения любого напряжения применять одни и те же стандартные измерительные приборы.
Реле зашиты, реагирующие на напряжение, также изготовля- ются на стандартное напряжение независимо от напряжения установки.
Первичная обмотка трансформатора изолируется от вторич- ной соответственно классу напряжения установки. Для безопас- ности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, трансформатор напряжения изоли- рует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряже- ния и делает безопасным их обслуживание.
Схема включения однофазного трансформатора напряжения дана на рис. 2.15. Первичная обмотка 1 присоединена к цепи вы- сокого напряжения через предохранители 3. Вторичная обмотка 2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле зашиты через предохранители 4.
В трансформаторах напряжения нормальной конструкции за- земляются и вторичная обмотка 2, и сердечник 5. Предохраните- ли 4 служат для зашиты трансформатора напряжения от коротких замыканий в цепи вторичной нагрузки. Предохранители 3, уста- новленные на высоковольтной стороне, служат для зашиты сети от короткого замыкания в трансформаторе. Для облегчения от- ключения желательна установка токоограничивающих предохра- нителей типа ПКТ или стреляющих, с ограничивающим сопро- тивлением.
СВ А
3 3
1 5
А Х
а х
2
4 4
V
Рис. 2.15. Схема включения однофазного трансформатора напряжения: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка;
3, 4–предохранители; 5 – сердечник
Вследствие высокого сопротивления самого трансформатора при возникновении короткого замыкания во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и его величина недостаточна для срабатывания предохранителей 3.
|
|
|
Основными параметрами трансформатора напряжения
являются:
· номинальное напряжение обмоток – напряжение на первич- ной и вторичной обмотках, указанное на щитке трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора равно номинальному напряжению первичной обмотки;
· номинальный коэффициент трансформации – отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторич- ному напряжению:
kном = U 1 ном / U 2 ном;
· погрешность по напряжению, %, которая определяется уравнением:
D U = kномU 2 - U 1100, (2.37)
U 1
где U 1 – напряжение, поданное на первичную обмотку; U 2 – напряжение, измеренное на зажимах вторичной обмотки.
Если U 1/ U 2= k ном, то погрешность всегда будет равна нулю.
За угловую погрешность принимается угол в минутах между первичным напряжением и повернутым на 180° вторичным. Если вторичное напряжение U 2опережает первичное напряжение U 1, то погрешность по углу считается положительной. Допустимая погрешность трансформатора по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности.
Погрешности трансформатора не должны превышать таблич- ные данные при колебании первичного напряжения в пределах 90...110% и при колебании мощности на вторичных зажимах в пределах 25...100 % от номинальных значений;
· номинальная вторичная нагрузка – ток во вторичной обмот- ке I 2 определяется сопротивлением нагрузки:
I 2= U 2 / Z 2,
а вторичная мощность Р2 соответственно:
P 2= U
2 I 2
= U 2.
Z
При уменьшении сопротивления Z2мощность, отдаваемая трансформатором напряжения, увеличивается и соответственно увеличивается погрешность;
· номинальная мощность трансформатора – наибольшая мощность (при номинальном коэффициенте мощности, равном 0,8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные клас- сом точности. Требования к трансформаторам напряжения опре- деляются ГОСТ 1983-67.
Для того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивления обмоток. Для по- лучения малого активного сопротивления берутся малые плотно- сти токов в обмотках (около 0,3 А/мм2), благодаря чему эти трансформаторы слабо нагружены в тепловом отношении. Для снижения индуктивного сопротивления обмоток уменьшают рас- стояние между первичной и вторичной обмотками.
Компенсацию погрешности по напряжению легко получить путем уменьшения числа витков первичной обмотки. Если уменьшить число витков первичной обмотки, то коэффициент трансформации становится меньше номинального и вторичное напряжение возрастает. При этом вводится положительная по- грешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вво- дится такая коррекция, чтобы при холостом ходе трансформатор
|
|
|
имел максимально допустимую для данного класса точности по- ложительную погрешность.
На погрешность трансформатора влияет коэффициент мощно- сти нагрузки cos φ2, и с его уменьшением погрешность увеличи- вается. Причем характер нагрузки оказывает большее влияние на угловую погрешность, чем на погрешность по напряжению.
На угловую погрешность витковая поправка не влияет. Угло- вую погрешность в трехфазных трансформаторах напряжения можно компенсировать. В этом случае необходимая компенсация достигается путем применения специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная по- правка.
При индуктивной нагрузке применяется другая схема соеди- нений, которая дает отрицательную поправку. При напряжении до 35 кВ конструкция трансформаторов напряжения сходна с конструкцией силовых трансформаторов.
Индукция в сердечниках значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некото- рых случаях проводить испытания индуцированным напряжением. Для испытания трансформатора на выводы вторичной обмот-
ки подается удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке появляется также удвоенное напряжение. Индукция не должна превышать индукцию насыщения.
При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмот- ка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного. При этом сердечник не должен насыщаться.
На напряжение до 35 кВ выпускаются однофазные трансфор- маторы, у которых либо оба вывода обмотки высокого напряже- ния изолированы от корпуса (рис. 2.16, а), либо изолирован толь- ко один, а второй вывод заземлен.
Применение в качестве изоляции пластмасс и отказ от масля- ной изоляции позволяет сократить массу и габаритные размеры трансформаторов, упрощается их эксплуатация, делается ненуж- ным уход за маслом. Трансформаторы с литой изоляцией пожа- робезопасны, удобны для эксплуатации в различных передвиж- ных установках. На рис. 2.16, б представлен трансформатор напряжения с литой изоляцией типа НОК-6 на те же параметры, что и масляный. Отечественная промышленность выпускает трансформаторы с литой изоляцией на напряжение до 35 кВ.
а б
Рис. 2.16. Внешний вид однофазных трансформаторов напряжения с масляной (а) и литой изоляцией (б)
Габаритные размеры трансформаторов в значительной степе- ни определяются изоляцией аппарата. В связи с этим там, где это возможно, трансформатор выполняется для измерения напряже- ния между фазой и землей. В этом случае отпадает необходи- мость в изоляции второго вывода первичной обмотки, который заземляется. Линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких трансформаторов. При этом, однако, погрешность измерения возрастает, так как суммируются погрешности двух трансформаторов. Такая конструкция позволя-
ет уменьшить габаритные размеры и удешевить трансформатор напряжения. Возможные схемы включения однофазных транс- форматоров нормального исполнения в трехфазных сетях показа- ны на рис. 2.17.
A BC
a
A
A BC
A a
X x
A a
X x
B
C
b 0
c
c
0
Звуковой сигнал
|
|
а б
Рис. 2.17. Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных се- тях с использованием двух (а) и трех (б) однофазных трансформаторов
В случае, представленном на рис. 2.17 а, применяются два од- нофазных трансформатора, у которых первичная обмотка имеет изолированные выводы. Эта схема называется схемой открытого треугольника.
Такая схема очень удобна для измерения мощности и энергии. В этой схеме к каждому из трансформаторов может подключать- ся нагрузка вплоть до номинальной.
Схема позволяет получить и напряжение UAC =-(UAB+ UBС) (приборы подключаются между точками а и с). Однако такое включение нагрузки не рекомендуется, так как создаются допол- нительные погрешности за счет тока приборов, проходящего че- рез обе вторичные обмотки.
При включении по схеме, представленной на рис. 2.17, б, мо- гут применяться трансформаторы, у которых один из выводов первичной обмотки заземлен. Каждая из обмоток подключена к фазному напряжению, поэтому номинальное напряжение транс- форматора должно равняться U ф/√3. Вторичная нагрузка подклю- чается по схеме звезды или треугольника. Номинальное напря- жение вторичной обмотки равно 100/√3.
Для контроля изоляции и питания защиты, срабатывающей при коротком замыкании на землю, трансформаторы имеют дополни- тельные обмотки, которые включаются по схеме разомкнутого треугольника. При симметричном режиме сумма ЭДС, наводимых в этих обмотках, равна нулю. Если один из проводов заземляется, то равновесие ЭДС нарушается и напряжение на концах разомкну- того треугольника подается на реле или сигнализацию.
Возможны два режима работы схемы, представленной на рис.2.17б. Если нейтраль сети изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, то заземление одной из фаз, например фа- зы С, не ведет к короткому замыканию. Установка может оста- ваться длительное время в работе. При этом напряжение на трансформаторе С падает до нуля, а напряжение на трансформа- торах А и В увеличивается до линейного. В связи с этим индук- ция в сердечниках трансформаторов А и В увеличивается в √3 раз. Во избежание увеличения нагрева сердечников и резкого возрастания погрешности этих трансформаторов сердечники не должны насыщаться при таком увеличении индукции.
В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз вызывает короткое замыкание. Релейная зашита быстро от- ключает поврежденный участок. Напряжение на «здоровых» фа- зах при коротком замыкании не поднимается выше (1,2... 1,3) U ф.
Уменьшение габаритных размеров и снижение стоимости трансформаторов напряжения может быть достигнуто путем объ-
единения трех отдельных измерительных трансформаторов в один трехфазный трансформатор. Применяются трехстержневые и пятистержневые магнитопроводы.
Трехфазные трехстержневые трансформаторы делаются с изо- лированной нулевой точкой на стороне высокого напряжения. Это объясняется тем, что при работе в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим работы трансформатора при заземлении одной фазы сети, если нулевая точка в трансфор- маторе заземлена.
2.4. Электронные измерительные приборы
Все электронные приборы можно подразделить на две боль- шие группы: аналоговые электронные приборы со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.
В зависимости от характера измерений и вида измеряемых ве- личин все электронные измерительные приборы также подразде- ляются на группы:
В – приборы для измерения напряжений: В1 – калибраторы;
В2 – вольтметры постоянного тока; ВЗ – вольтметры переменного тока; В4 – вольтметры импульсного тока; В6 – вольтметры селективные;
В7 – вольтметры универсальные.
Г – измерительные усилители и генераторы:
ГЗ – генераторы гармонических колебаний низкочастотные; Г4 – генераторы гармонических колебаний высокочастотные; Г5 – генераторы импульсные;
Г6 – генераторы функциональные.
Е – приборы для измерения распределенных параметров элек- трических цепей.
Группа С – приборы для наблюдения за формой сигналов и ее исследования.
Группа Ч – частотомеры; Ф – измерители фазового сдвига и т. д.
Электронные приборы по сравнению с электромеханическими обладают значительным быстродействием, широкими частотным диапазоном (20 Гц... 1000 МГц) и диапазоном измеряемых вели- чин, высокой чувствительностью, хорошей перегрузочной спо- собностью.
АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Такие приборы состоят из электронной части, предназначен- ной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, и измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а в осциллографах – электронно-лучевой трубки.
Аналоговые электронные приборы используются в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопро- тивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.
Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее об- ширную группу электронных приборов. Основное их назначение
– измерение напряжения в цепях постоянного, переменного тока в широком диапазоне частот.
Электронные вольтметры можно классифицировать по следу- ющим признакам:
· по способу измерения – приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
· назначению – приборы постоянного, переменного, импульс- ного напряжений, универсальные (постоянного и переменного
напряжении) и селективные (с частотно-избирательными свой- ствами);
· характеру измеряемою напряжения – амплитудные (пико- вые), действующего и среднего значений;
· частотному диапазону – низкочастотные и высокочастотные.
Электронные вольтметры постоянного тока
Структурная схема ЭВ постоянного тока представлена на рис. 2.19:
|
|
|
Рис. 2.19. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока
Измеряемое напряжение постоянного тока UX поступает на входное устройство (ВУ), представляющее собой многопредель- ный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ), кото- рый помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощ- ности согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма (ИМ) магни- тоэлектрической системы.
Уравнение преобразования такого вольтметра:
a = KВУКУПТSИМ = КВUх, (2.38)
где КBУ, КУПТ, КB – коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; S ИМ– чувствительность ИМ по напряжению;
Входное сопротивление электронных вольтметров составляет десятки мегаОм, что практически исключает их влияние на объ- ект измерения. При измерении малых напряжений начинает ска- зываться дрейф нуля УПТ, поэтому в электронных микровольт-
метрах исключают УПТ, постоянный ток преобразовывают с по- мощью модулятора в переменный и используют усилитель пере- менного напряжения.
Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и: диапазон измеряе- мых напряжений для вольтметров — 10 мВ до 1000 В и 10-8...1 В для микровольтметров. Классы точности – 1,5; 2,5. Шкала – ли- нейная.
Электронные вольтметры переменного тока
Упрощенные структурные схемы вольтметров переменного тока приведены на рис. 2.20. Структурная схема, представленная на рис. 2.20 а, используется в вольтметрах для измерения напря- жении значительного уровня. Измеряемое напряжение после прохождения частотно-компенсированного делителя (ВУ) преоб- разуется детектором (Д) в напряжение постоянного тока, которое усиливается УПТ и поступает на ИМ магнитоэлектрической си- стемы. Частотные характеристики таких вольтметров определя- ются только входным устройством и детектором и составляют от 10 Гц до 1 ГГц. Диапазон измеряемых напряжений начинается с 0,1 В и выше.
Вторая структурная схема (рис. 2.20, б) применяется в милли- вольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью за счет использования дополнительного усилителя. Измеряемое напряжение после прохождения входного устройства (ВУ) по- ступает на вход усилителя переменного напряжения (УН), далее на измерительный механизм (ИМ). Частотный диапазон таких приборов определяется частотными характеристиками усилителя переменного тока (трудно изготовить широкополосный усили- тель переменного тока) и ограничивается до 1МГц. Диапазон из- меряемых напряжений составляет от единиц милливольт до не- скольких сотен вольт.
Важным элементом, существенно влияющим на метрологиче- ские характеристики вольтметров, являются детекторы, выпол- няющие функцию преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному и среднему квадратическому значению измеряемого напряжения.
|
|
|
|
а
|
|
|
|
|
б
Рис. 2.20. Упрошенные структурные схемы: а – электронного вольтметра, б – электронного милливольтметра
Тип детектора определяет эксплуатационные свойства вольт- метра. Так, вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического (действующего) значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры среднего (средневыпрямленного) зна- чения пригодны для измерения только гармонического сигнала. Шкалу электронных вольтметров обычно градуируют в действу- ющих значениях синусоидального сигнала.
Электронный вольтметр среднего значения
Простейший вольтметр для измерения относительно высоких напряжений может быть выполнен по структурной схеме, пред- ставленной на рис. 2.20, а. Выпрямитель состоит из полупровод- никовых диодов, работающих на линейном участке вольтампер-
ной характеристики. Широкий диапазон измерений электронного вольтметра обеспечивается с помощью входного делителя.
Д о с т о и н с т в а: диапазон измеряемых напряжений – по ча- стоте от 10 Гц до 10 МГц, по напряжению от 1 мВ до 300 В.
|
|
|
