Измерительные преобразователи тока и напряжения

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Шунты. Простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение является шунт, который представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима ,к которым подводится ток I ,называются токовыми, а два выходных зажима с которых снимается напряжение U ,называются потенциальными (Рис.1). К потенциальным зажимам подключается измерительный механизм ИМ. Параметрами, характеризующими шунт, являются номинальное значение входного тока I  и номинальное значение выходного напряжения U. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта R_Ш,НОМ=U_НОМ/I_НОМ . Шунт также можно

 

Рис. 1   Шунт

 рассматривать  как делитель тока с коэффициентом  деления (шунтирования)

n= I /I₀ = (R_ш.ном + R₀)/R_ш,ном

где Iо — ток в измерительном механизме; R₀ — сопротивление измерительного механизма, поэтому шунты применяются для расширения пределов измерения механизмов по току. При этом большая часть измеряемого тока проходит через шунт, а меньшая — через измерительный механизм. Шунты имеют малое сопротивление и применяются главным образом в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Применять шунты с измерительными механизмами других систем нерационально, так как эти измерительные механизмы потребляют большую мощность, что приводит к существенному увеличению сопротивления шунтов и, следовательно, к увеличению их габаритов и потребляемой мощности.

При применении шунтов с измерительными механизмами  на переменном токе возникает дополнительная частотная погрешность вследствие разных зависимостей сопротивлений шунта и измерительного механизма от частоты.

Если необходимо расширить предел измерения в n раз, т. е. чтобы ток Iо был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть равно

R_ш = Rо/(n-1)- 

Шунты изготовляют из манганина. В соответствии с ГОСТ 8042—78 шунты разделяют на- типы: ШС — шунт взаимозаменяемый стационарный; ШП — шунт взаимозаменяемый переносный. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора. Для измерения больших токов (до 6000 А) используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

Наружные  шунты имеют массивные Т-образные наконечники из красной меди, Наконечники  служат для отвода теплоты от манганиновых пластин, которые впаяны между ними. Ток подводится к наконечникам с помощью массивных болтов — токовых зажимов. Потенциальные зажимы выполняются в виде двух болтов меньшего размера, расположенных на медных наконечниках. Сопротивление шунта, заключенное между потенциальными зажимами, подгоняется с помощью поперечных пропилов в манганиновых пластинах. Такое устройство шунта устраняет погрешности от контактных сопротивлений.

Рис. 2. Схемы многопредельных шунтов с рычажным переключателем (а), с отдельными выводами (б)

Шунты делаются взаимозаменяемыми, т. е. они рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. В соответствии с ГОСТ шунты должны иметь номинальное падение напряжения на потенциальных зажимах: 10, !5, 30, 50, 60, 75, 300 мВ.

В переносных магнитоэлектрических приборах на токи до 30А применяются шунты, изготовленные на несколько пределов измерения I_{1 ном}, I_{2 ном}, I_{3 ном}. На рис. 2 изображены схемы многопредельных шунтов. Такой шунт состоит из нескольких резисторов, переключаемых в зависимости от предела измерения рычажным переключателем (рис. 2, а) или переносом провода с одного зажима на другой (рис. 2, б), т. е. с отдельными зажимами.

По точности шунты  разделяются на классы точности: 0,05, 0,1; 0,2; 0,5 — стационарные; 0,02; 0,05; 0,2 — переносные. Число класса точности обозначает допустимое отклонение сопротивления в процентах его номинального значения.

Добавочные  резисторы. Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток. Поэтому добавочный резистор, включенный последовательно с измерительным механизмом, вращающий момент которого зависит от тока, может служить для расширения пределов измерения по напряжению аналоговых вольтметров различных систем (кроме электростатической и электронной). Добавочные резисторы, называемые по ГОСТ 8023—78 добавочными сопротивлениями, также служат для расширения пределов измерения по напряжению других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.

Добавочный  резистор включают последовательно  с измерительным механизмом ИМ (рис. 3. ). Ток в цепи измерительного механизма I₀₎ имеющего сопротивление R_o и включенного последовательно с добавочным резистором Rд, равен:

I₀ = U/(R₀ + Rд). где U — измеряемое

напряжение-

 

 

 

 

 

    75мВ U_1ном U_2ном   U_3ном

       Рис.3                                                 Рис.4

Если при помощи добавочного  резистора R_д надо расширить в m раз предел измерения вольтметра, имеющего номинальный предел измерения U_ном и сопротивление R₀, то, предполагая постоянство тока вольтметра Iо, можно записать: U_ном/R₀= mU_ном/(R₀+R_д), тогда R_д=R₀(m-1)

Изготовляются добавочные резисторы, как правило, из манганиновой изолированной проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала. Применяются также добавочные резисторы из литого микропровода в стеклянной изоляции. Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную намотку для получения безреактивного сопротивления.

Наряду с расширением  пределов измерения вольтметров  добавочные резисторы уменьшают их температурную погрешность. Если принять, что обмотка измерительного механизма имеет температурный коэффициент сопротивления bо. а добавочный резистор — температурный коэффициент   b_д, то температурный коэффициент всего вольтметра b (Рис. 3) составит:

Обычно b_д«0. Тогда

b = b₀R₀(R₀ + R_д)

В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются  секционными на несколько пределов измерения U_1ном, U_2ном, U_3ном (рис. 4).,

Добавочные резисторы  бывают внутренние, встраиваемые в  корпус прибора, и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и в соответствии с ГОСТ 8023—78 подразделяются на щитовые и переносные взаимозаменяемые и ограниченно взаимозаменяемые. Взаимозаменяемый добавочный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Добавочные  резисторы, так же как и шунты, делятся на классы точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Класс точности определяется по относительной погрешности, %, равной

d=±(D/R_ном)100%,

где D — абсолютная погрешность; R_ном — номинальное сопротивление добавочного резистора. Добавочные резисторы изготовляют на номинальные токи от 0,01 до 60 мА. Добавочные резисторы используются для преобразования напряжений до 30 кВ.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерения больших  переменных напряжений и токов обычными аналоговыми электромеханическими приборами становится возможным при включении их в цепь через измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения. Использование делителей напряжения и шунтов для этих целей нецелесообразно я даже опасно для обслуживающего персонала.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных обмоток, помещенных на ферромагнитный сердечник.

Принцип действия ИТ совпадает с принципом действия обычных трансформаторов. Во вторичную цепь трансформаторов тока включаются амперметры, последовательные обмотки счетчиков ваттметров, цепи релейной защиты и управления; к вторичной обмотке трансформаторов напряжения подключаются вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счетчиков и других приборов.

Стационарные  измерительные трансформаторы переменного тока имеют следующие эксплуатационные характеристики: частота 50 Гц; номинальное напряжение U_1ном трансформаторов напряжения — от 0,38 до 750 кВ, вторичное напряжение U_2ном—

150; 100; 100/ 3 В; классы точности трансформаторов напряжения — 0,05; 0,01 ;0,2; 0, 5; 1,0; 3,0; номинальный первичный ток I_1ном трансформаторов тока — 1 А... 40 кА, номинальный вторичный ток I_2ном — 1; 2; 2,5; 5 А; номинальная нагрузка вторичной 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 высокого 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 (контакты И1, И2), один вывод которой обязательно заземляется (И1).

Рис. 5

В случае повреждения трансформатора приборы и реле остаются под потенциалом земли. Отличительной особенностью режима работы трансформатора тока является то, что первичный 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 Z₂ 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 трансформатора тока. Контакты первичной цепи ИТТ (Л1, Л2). 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 конец которой заземлен;

номинальный первичный и вторичный токи — токи, на которые расчитан трансформатор. Трансформаторы тока обычно имеют запaс 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

На практике действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие потерь в трансформаторе. Различают погрешности: токовую, угловую и полную; токовая погрешность, %, определяемая выражением

I₂ — вторичный ток; I₁ — первичный ток.

В реальном трансформаторе вторичный ток сдвинут по фазе относительно первичного на угол, отличный от 180°. Для отсчета этой 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 положительная, 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 = Z_2h.

Наряду с  токовой и угловой погрешностью вводится понятие полной погрешности, %, характеризующей относительный намагничивающий ток

где I₁— действующее значение первичного тока; i₂ — мгновенном значение вторичного тока; i₁, — мгновенное значение первичного тока; Т — период частоты переменного тока (0,02 с);

номинальная нагрузка трансформатора тока — сопротивление нагрузки Ом, при котором трансформатор работает в своем классе точности при cos j_2н = 0,8 Иногда применяется понятие номинальной мощности

Р_2ном=I_2номZ_2ном

Поскольку ток I_2ном стандартизован, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность 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 вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

Трансформаторы  тока обтекаются током короткого  замыкания, и его обмотки подвергаются воздействию больших токов;

динамическая  стойкость {кратность) — отношение допустимого ударного тока к амплитуде номинального первичного тока;

термическая стойкость {кратность) — отношение допустимого в течение 1с тока короткого замыкания к номинальному значению первичного тока.

Так как ток  первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением 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 погрешностью 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 такого исполнения