2.2. Вимірювальні перетворювачі струмів і напруг

 2.2.1. Шунти

Шунт є найпростішим вимірювальним перетворювачем струму в напругу. Він являє собою резистор, що має чотири затискачі. Два вхідних затискачі, до яких підводить струм І, називаються струмовими (затискачі А, Б на рис. 2.1), а два вихідних затискачі, з яких знімається напруга U, називаються потенційними (затискачі В, Г на рис. 2.1). До потенційних затискачів приєднують вимірювальний механізм (ВМ) приладу.


Шунт характеризується номінальним значенням вхідного струму Іном і номінальним значенням вихідної напруги ином. Їх відношення визначає номінальний опір шунта Рш=ином/Іном.

Шунти застосовуються для розширення меж вимірювань механізмів приладів за струмом, при цьому більшу частину вимірюваного струму пропускають через шунт, а меншу - через вимірювальний механізм. Шунти мають невеликий опір і застосовуються, головним чином, у колах постійного струму з магнітоелектричними вимірювальними механізмами.

На рис. 2.1 наведена схема включення магнітоелектричного механізму ВМ із шунтом. Струм Ів, що протікає через вимірювальний механізм, пов'язаний з вимірюваним струмом І залежністю

1 • Rm

де Rnp - опір вимірювального механізму

Якщо необхідно, щоб струм Ів був в n разів меншим за струм І, то опір шунта повинен бути:

(2.2)

дер=І/Ів - коефіцієнт шунтування.

Шунти виготовляють із манганіну. Якщо шунт розрахований на невеликий струм (до 30 А), то його, звичайно, вбудовують у корпус приладу (внутрішні шунти). Для виміру більших струмів використовують прилади із зовнішніми шунтами. У цьому випадку потужність, що розсіюється в шунті, не нагріває прилад.

На рис. 2.2 показаний зовнішній шунт на 2000 А. Він має масивні наконечники з міді, які служать для відводу тепла від манганінових пластин, що впаяні між ними. Затискачі шунта А і Б — струмові, В і Г - потенційні.

Рис. 2.2 - Зовнішній шунт.

Вимірювальний механізм приєднують до потенційних затискачів В і Г, між якими й зосереджений опір шунта. При такому включенні вимірювального механізму усуваються похибки від контактних опорів.

Зовнішні шунти зазвичай виготовлюються каліброваними, тобто розраховуються на певні струми та падіння напруги. За ГОСТ 8042-78 калібровані шунти повинні мати номінальне падіння напруги 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 і 300 мВ.

Для переносних магнітоелектричних приладів на струми до 30 А внутрішні шунти виготовляють на кілька границь виміру. На рис. 2.3 показані схеми багатограничних шунтів. Багатограничний шунт складається з декількох

резисторів, які можна переключати залежно від межі вимірювання важільним перемикачем (рис. 2.3,а) або шляхом переносу дроту з одного затискача на іншій (рис. 2.3,б).

Застосування шунтів з вимірювальними механізмами інших систем, крім магнітоелектричної, нераціональне, тому що інші вимірювальні механізми споживають більшу потужність, що призводить до істотного збільшення опору шунтів і, отже, до збільшення їхніх розмірів і споживаної потужності.

Під час роботи шунтів з вимірювальними механізмами на змінному струмі виникає додаткова похибка від зміни частоти, тому що опори шунта і вимірювального механізму по-різному залежать від частоти.

Шунти поділяються на класи точності 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 і 0,5. Число, що показує клас точності, позначає допустиме відхилення опору шунта у відсотках його номінального значення.

Серійні шунти випускаються для струмів не більше 5000 А. Для виміру струмів понад 5000 А допускається паралельне з'єднання шунтів.

2.2.2. Додаткові резистори


Додаткові резистори - це вимірювальні перетворювачі напруги в струм, а на значення струму безпосередньо реагують вимірювальні механізми стрілкових вольтметрів всіх систем, за винятком електростатичної та електронної. Додаткові резистори служать для розширення меж вимірювань за напругою вольтметрів різних систем та інших приладів, що мають паралельні кола, що підключаються до джерела напруги. Сюди відносяться, наприклад, ватметри, лічильники енергії, фазометри і т.д.

Додатковий резистор включають послідовно з вимірювальним механізмом (рис. 2.4). Струм Ів в колі, що складається з вимірювального механізму з опором і додаткового резистора з опором Rd, складатиме:

J u

Ів = R~+R~' (2-3>

де U — вимірювана напруга.

Якщо вольтметр має межу виміру Uh, а опір вимірювального механізму Rnp, і за допомогою додаткового резистора Rd треба розширити межу виміру в р разів, то, з огляду на сталість струму Ів, що протікає через вимірювальний механізм вольтметра, можна записати:


о Дв ■ Кр + Дд ■ Rd

Д =      R+R    ■ (2.6)

Звичайно, вд=0, тоді

Д = Дв ■ IT+F■ (2.7)

У переносних приладах додаткові резистори виготовляються секційними на кілька меж вимірювання (рис. 2.5).

Додаткові резистори бувають внутрішні та зовнішні. Останні виконуються у вигляді окремих блоків і поділяються на індивідуальні й калібровані. Індивідуальний резистор застосовується тільки з тим приладом, що з ним градуювався. Калібрований резистор може застосовуватися з будь-яким приладом, номінальний струм якого дорівнює номінальному струму додаткового резистора.

+          75 мВ Ui         U2 Ui

Рис. 2.5 - Схема багатограничного вольтметра

Калібровані додаткові резистори поділяються на класи точності 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 і 1,0. Вони виконуються на номінальні струми від 0,5 до 30 мА.

Додаткові резистори застосовуються для перетворення напруг до 30 кВ. 2.2.3. Вимірювальні трансформатори

Вимірювальні трансформатори поділяються на трансформатори струму та напруги й призначаються відповідно для перетворення великих змінних струмів і напруг у відносно малі струми і напруги. Завдяки трансформаторам можна застосовувати прилади з невеликими стандартними номінальними значеннями струму й напруги (наприклад, 5 А і 100 В) у високовольтних колах, якими можуть протікати великі струми.

Вимірювальні трансформатори складаються із двох ізольованих одна від одної обмоток, розміщених на магнітопроводі: первинної із числом витків W1 і вторинної із числом витків W2 (рис. 2.6).

При вимірах у високовольтних колах трансформатори забезпечують безпеку обслуговування приладів, приєднаних до вторинних обмоток. Це досягається за рахунок електричної ізоляції (гальванічного розділення) первинної й вторинної обмоток трансформаторів і заземлення металевого корпуса та вторинної обмотки. При відсутності заземлення й ушкодженні

ізоляції між обмотками вторинна обмотка і підключені до неї прилади опиняться під високим потенціалом, що неприпустимо.

В трансформаторах струму, як правило, первинний струм І1 більше вторинного І2. Первинна обмотка виконується із дроту різного січення залежно від номінального первинного струму Якщо І1Н перевищує 500 А, вона може складатися з одного витка у вигляді прямої мідної шини (або стрижня), що проходить крізь вікно сердечника. Вторинна обмотка у всіх стандартних трансформаторів струму намотується із проводів невеликого січення. Відповідно до ГОСТ 7746-78Е вторинний номінальний струм І2Н може бути 1; 2; 2,5; 5А при значеннях І1Н у межах від 0,8 до 40 000 А.

В трансформаторах напруги первинна напруга U1 більша вторинної U2, тому в них W1>W2. Обидві обмотки виконуються з відносно тонкого дроту (первинна - з більш тонкого, ніж вторинна). Вторинна номінальна напруга U2H, в стаціонарних трансформаторах становить 100 і 100/V3 В при первинній номінальній напрузі U1H до 1150 кВ.

За схемою включення у вимірювальне коло й умовою роботи трансформатори струму й напруги відрізняються один від одного. Первинна обмотка трансформаторів струму, виводи якої позначаються буквами Л1 і Л2 (лінія), вмикається у вимірювальне коло послідовно (рис. 2.6). До вторинної обмотки, виводи якої позначаються буквами В1, В2 (вимірювання), послідовно підключають амперметри, послідовні обмотки ватметрів, лічильників та інших приладів. Первинна обмотка трансформатора напруги, виводи якої позначаються буквами А, X (початок - кінець), включається у вимірювальне коло паралельно, а до виводів вторинної обмотки, позначеної відповідно буквами а, х, підключають паралельно вольтметри, паралельні кола ватметрів, лічильників та інших приладів.

За показами приладів, включених у вторинні обмотки, можна знайти значення вимірюваних величин. Для цього їх покази треба помножити на дійсні коефіцієнти трансформації КІ і КU. Для трансформатора струму КІ=І1/І2. Для трансформатора напруги К U =U 1 /U2.

Дійсні коефіцієнти трансформації зазвичай невідомі, тому що вони залежать від режиму роботи трансформатора, тобто від значень струмів і напруг, характеру і значення опору навантаження вторинного кола та частоти струму; тому показники приладу множать не на дійсні, а на номінальні коефіцієнти трансформації. Вони зазначені на щитку трансформатора у вигляді дробу, чисельник якого є номінальним значенням первинної, а знаменник - вторинної величини. Номінальний коефіцієнт трансформації для даного трансформатора

має постійне значення. Для трансформаторів струму позначимо його КІН, для трансформаторів напруги - KUH.

Рис. 2.6 - Схеми включення вимірювальних трансформаторів а - трансформатора струму; б - трансформатора напруги

Відносна похибка через нерівність дійсного й номінального коефіцієнтів трансформації визначається за співвідношенням:

для трансформатора струму 8І =І1—^ 100 = Кін -Кі 100, (2.8)

для трансформатора напруги

Похибка дІ називається струмовою похибкою, а dU - похибкою напруги. Крім цих похибок, у вимірювальних трансформаторів є ще так звана кутова

похибка. Вона виникає внаслідок фазових зсувів між первинною й вторинною величиною, що їх вносить трансформатор.

В ідеальному трансформаторі струму вектор вторинного струму І2 зсунутий за фазою щодо вектора первинного струму І1 на 180°. Такий самий зсув за фазою повинен бути між векторами вторинної U2 і первинної U1 напруг у трансформаторі напруги. У реальному трансформаторі кут між оберненим на 180° вектором вторинної величини та відповідним вектором первинної величини не дорівнює нулю, а становить кут 8, що називається кутовою похибкою трансформатора. Похибка вважається додатньою, якщо обернений на 180° вектор вторинної величини випереджає вектор первинної величини.

Кутова похибка вимірювальних трансформаторів впливає тільки на показники приладів, відхилення рухомої частини яких залежить від зсуву фаз між струмами в колах цих приладів. До них належать ватметри, лічильники енергії та фазометри.

Трансформатор струму працює в режимі, близькому до короткого замикання, тому що в його вторинну обмотку включаються прилади з малим опором. Повний сумарний опір Z=R+jX приладів і дротів, що підводять струм, є навантаженням трансформатора струму. Магнітопроводи трансформаторів струму виготовляють з тонкої листової високосортної трансформаторної сталі, а для особливо точних трансформаторів - на залізонікелях типу пермалоя. Для зменшення втрат на вихрові струми листи ізолюються один від одного. Найчастіше застосовуються магнітопроводи стрижневого та круглого (кільцевого) типів.

Для зменшення (компенсації) похибок у трансформаторах струму використовують штучне підмагнічування магнітопроводу додатковими полями до значення, при якому матеріал магнітопроводу має найбільшу магнітну проникність. Це призводить до відносного зменшення намагнічуючого струму

Практично компенсація підмагнічуванням здійснюється вторинним струмом при проходженні його по додаткових обмотках або підмагнічуванням за рахунок потоків розсіювання. Такі трансформатори називаються

компенсованими.

В установках з великими струмами короткого замикання при недостатньо надійній конструкції трансформатора можливі його механічні й термічні ушкодження. Механічні ушкодження відбуваються внаслідок електродинамічної взаємодії провідників зі струмами.

Електродинамічною стійкістю трансформатора струму називають відношення амплітуди струму, що він може витримати без зміни своїх механічних і електричних властивостей протягом одного напівперіоду, до амплітуди номінального струму трансформатора.

Термічною стійкістю трансформатора струму називається відношення діючого (середньоквадратичного) значення струму, що трансформатор може витримувати протягом 1 секунди без зміни своїх властивостей, до діючого значення номінального первинного струму трансформатора.

В установках з великими струмами короткого замикання застосовуються трансформатори струму з високою термічною й електродинамічною стійкістю.

Залежно від області застосування вимірювальні трансформатори виготовляються стаціонарними, призначеними для установки на відкритих майданчиках розподільчих пристроїв, станцій і підстанцій та в закритих приміщеннях, і переносними - для використання в лабораторіях. Стаціонарні трансформатори, як правило, мають одну границю вимірювання, а переносні -кілька границь. Наприклад, переносний трансформатор струму типу І-54 класу точності 0,2 має номінальні первинні струми 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0 і 50,0 А, вторинний струм 5 А та номінальне навантаження 0,4 Ом.

За точністю трансформатори струму поділяються на десять класів: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2:0,5; 1; 3; 5 і 10.

Вимірювальні трансформатори напруги працюють у режимі, близькому до холостого ходу, тому що до вторинної обмотки трансформатора підключають прилади з відносно великим внутрішнім опором.

Магнітопроводи трансформаторів зазвичай виготовляють із кращих сортів кременистої сталі. Завдяки цьому зменшуються реактивні опори X1 і Х2, обумовлені відповідно потоками розсіювання первинної й вторинної обмоток трансформаторів, і, крім того, зменшуються струм холостого ходу і втрати в магнітопроводі.

Відповідно до ГОСТ 1983-77Е та ГОСТ 23625-79 стаціонарні трансформатори напруги поділяються на класи точності 0,2; 0,5; 1 і 3, а лабораторні - на класи 0,05; 0,1 і 0,2. Стаціонарні трансформатори напруги виготовляються на номінальні первинні напруги до сотень кіловольтів при вторинній напрузі 150, 100 і 100/V3 В. Номінальні потужності становлять від 5

до 1200 ВА.

За зовнішнім виглядом і конструкцією трансформатори напруги мало відрізняються від силових трансформаторів на невеликі потужності.

Лабораторні трансформатори найчастіше бувають переносними на кілька границь вимірювань.

Для трифазних кіл виготовляються трифазні трансформатори напруги. На трьох стрижнях магнітопроводу розташовуються три первинні і три вторинні обмотки. Первинні обмотки під'єднуються до трифазного кола, до виводів вторинних обмоток під'єднуються вимірювальні прилади.

За типом охолодження трансформатори напруги діляться на сухі (для напруг до 3 кВ) і трансформатори із заливкою маслом або ізолюючою масою (для напруг 3 кВ і вище).

Вимірювальні трансформатори постійного струму застосовуються для вимірювань дуже великих струмів, зазвичай понад 6 кА. Такі струми зустрічаються, наприклад, в алюмінієвій промисловості, і шунти для них виходять досить громіздкими і дорогими. Достоїнством трансформаторів постійного струму є безпека їх застосування в колах з високою напругою через те, що вторинні обмотки ізольовані від первинних.

Принцип дії вимірювальних трансформаторів постійного струму істотно відрізняється від звичайних вимірювальних трансформаторів.


На рис. 2.7 зображена принципова схема такого трансформатора. Він складається із двох повністю однакових кільцевих магнітопроводів І і ІІ, виготовлених із матеріалу з високою магнітною проникністю (наприклад, з пермалоя). Первинні обмотки W1 намотують на обидва магнітопроводи в одному напрямку, з'єднують послідовно й підключають до джерела вимірюваного постійного струму Іх. Зазвичай первинними обмотками служить струмонесуча шина, протягнута в отвори магнітопроводів; у цьому випадку W1=1. Вторинні обмотки W2, намотані на магнітопроводах у протилежних напрямках, з'єднують послідовно та через амперметр змінного струму підключають до допоміжного джерела змінної напруги.

Вимірюваний струм Іх, протікаючи по первинній обмотці, створює в обох магнітопроводах однаково спрямовані та рівні магнітні потоки Ф_. Нехай у цей момент часу змінний струм І2, що протікає по обмотках W2, має такий напрямок, що потік Ф~ у магнітопроводі І, створений МДС I2W2, збігається за напрямом з потоком Ф_, тоді в магнітопроводі ІІ ці потоки будуть спрямовані в протилежні сторони, тому що обмотки W2 включені зустрічно.

Відзначимо, що якщо форма кривої намагнічування близька до ідеальної прямокутної, активний опір кола змінного струму малий, а змінна напруга досить велика, то форма кривої струму І2 дуже близька до прямокутної і максимальне його значення майже не залежить від напруги й частоти джерела живлення. При прямокутній формі кривої струму І2 його середнє значення дорівнює максимуму. Середнє значення струму вимірюють амперметром випрямної системи.

Вітчизняною промисловістю випускаються трансформатори постійного струму типу І-58М на номінальні первинні струми від 15 до 70 кА. Вони мають клас точності 0,5.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я