Измерительные трансформаторы предназначены для масштабного преобразования тока или, соответственно, напряжения, а также, для повышения безопасности при выполнении измерений в цепях высокого напряжения переменного тока.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения характеризуются номинальными значениями первичных (I1н и U1н, соответственно) и вторичных (I2н и U2н, соответственно) величин, а также классами точности (δтт и δтн) и номинальными мощностями нагрузки вторичной цепи (SHI и SHU).
Коэффициенты трансформации (т.е. коэффициенты масштабного преобразования) определяют по формулам:
для трансформатора тока ;
для трансформатора напряжения .
Важным свойством измерительных трансформаторов являются зависимость их погрешностей (масштабного и углового преобразования) от нагрузки вторичной цепи – она соответствует классу точности только в том случае, если нагрузка не превышает номинальную.
Пример подключения измерительных приборов через измерительные трансформаторы в однофазной цепи приведен на рис. 5.5.
Рис. 5.5
Существенным различием между трансформаторами тока и напряжения является их режимы работы. Для трансформаторов тока нормальным является режим, близкий к режиму короткого замыкания, а для трансформаторов напряжения – режим близкий к режиму холостого хода, что обуславливает сопротивление обмоток приборов, включаемых в их вторичные, измерительные, цепи.
Зажимы первичной обмотки трансформатора тока ТА обозначаются Л1 и Л2, а вторичной – И1 и И2. Если в первичной цепи ток направлен от Л1 к Л2, то во вторичной цепи он направлен от И1 к И2 по внешней цепи.
Начала и концы обмоток трансформаторов напряжения TV обозначаются первичных- А, (В, С), а вторичных – а, (b, c), и соответственно концы первичных X, (Y, Z) и вторичных – x, (y,z).
Обязательным является заземление одного из выводов вторичных обмоток и корпуса трансформатора (для большинства схем включения).
Рекомендации по выбору измерительных трансформаторов.
При выборе измерительных трансформаторов необходимо исходить из максимальных значений тока I и напряжения U исследуемой цепи, учитывая при этом основные характеристики (в том числе и потребляемую мощность!) приборов или обмоток приборов, используемых для включения во вторичную цепь.
· Первичный номинальный ток I1н (или напряжение U1н) выбирают из стандартного дискретного ряда от 1 до 35000 А (или от 0,38 до 35 KV) номинальных значений, учитывая допускаемую трансформаторами перегрузку по условию: I=(1,2…0,8)I1н или U = (1,2 … 0,8)U1н
· Выбор вторичных номинальных значений – для трансформаторов тока 1 или 5 А (для трансформаторов напряжения , 100 или 150 V) определяется номинальными значениями используемых для измерения приборов приводов.
· Номинальная мощность трансформатора должна быть не меньше суммарной мощности нагрузки во вторичной цепи, включая сопротивление соединительных проводов (а для трансформаторов тока и сопротивления соединительных контактов).
· Класс точности трансформаторов выбирается в зависимости от класса точности (см. табл. 5) применяемых приборов (или в соответствии с нормами, установленными ПУЭ).
Таблица 5
Средство измерения
Класс точности (не ниже)
Измерительный прибор
0,1
0,2
0,5
1,0
1,5
2,5
Шунт или добавочный резистор
0,05
0,1
0,2
0,5
0,5
Измерительный трансформатор
-
0,2
0,2
0,5
1,0
Примеры решения задач
Пример 5.5. Для измерения напряжения U и тока I в цепи постоянного тока с помощью прибора класса точности γ с номинальным током Iон (или номинальным напряжением Uон) и внутренним сопротивлением R0 необходимо:
· рассчитать сопротивление добавочного резистора Rд и шунта Rш и привести схемы их включения для измерения U и I;
· выбрать стандартный шунт и привести его метрологические характеристики, используя которые установить класс точности и цену деления созданного амперметра;
· выбрать тип и метрологические характеристики моста постоянного тока, с помощью которого можно измерить сопротивления рассчитанных Rд и Rш так, чтобы погрешность измерителей U и I не превышала ± 2,5%; привести упрощенные схемы измерения сопротивлений Rш и Rд мостом постоянного тока;
· присвоить класс точности созданным вольтметру и амперметру, оценить погрешность результата измерений U и I.
Исходные данные: I = 90 A; U = 130 V; γ = 1,0 %; Iон = 3 mA; Ro = 25 Ω; число делений прибора Nн = 100 div
Решение:
Схемы включения добавочного резистора и шунта при измерении U и I приведены на рис. 5.6, а) и б)
А) б)
Рис. 5.6
1. Рассчитаем сопротивления измерительных преобразователей, создавая приборы с верхними пределами измерения Uн = 150 и Iн = 100 А а) добавочного резистора б) шунта
2. По табл. 1.3 [9], учитывая требования табл. 5, выберем шунт 75 ШСМ с номинальным током Iнш = 100 А, номинальным падением напряжения Uнш = 75 mV, класса точности δш = 0,5 %. Цену деления амперметра со стандартным шунтом найдем (см. пример 5.2) по формуле: где Исходя из класса точности прибора примем
3. Погрешность измерения Rд и Rш, выполняемых при изготовлении преобразователей не должна превышать δRш ≤ 2,5 – γ = (2,5 – 1,0)% = 1,5 % δRд ≤ 2,5 – γ = (2,5 – 1,0)% = 1,5 % Для измерения сопротивления Rд = 49975 Ω выберем [10, табл. 1.3] мост Р369, схема измерений М0-2, поддиапазон измерений от 100 до 106 Ω, класса точности δосн = 0,005 %. Для измерения сопротивления Rш = 0,00075 Ω выберем мост Р369, схема измерений М0-4, поддиапазон измерений от 10-4 до 10-3 Ω, класса точности δосн = 1,0 %. Схемы измерений Rд и Rш приведены на рис. 5.7. а) двухзажимная б) четырехзажимная
Рис. 5.7.Схема измерения сопротивлений Rд а) и Rш б)
4. Прибор совместно с измерительным преобразователем является составным средством измерения, погрешность δ которого оценивается как сумма погрешностей его составляющих, т.е. δ = δR + γ Тогда для вольтметра δV = γ + δRд = (1,0 + 0,005)% = 1,005 % а для амперметра δA = γ + δRш = (1,0 + 1,0)% = 2,0 % Присвоим приборам классы точности, как ближайшее большее значение их погрешности из стандартного ряда значений классов точности [3, с.59] для вольтметра γV = 1,5 %; для амперметра γA = 2,5 %. Пределы абсолютных погрешностей этих приборов равны: для вольтметра для амперметра Результаты измерения: напряжения U = (UV ± ΔU) = (130,0 ± 2,3) V тока I = (IA ± ΔA) = (90,0 ± 2,5) A
Задача 5.6. Для измерения активной энергии Wa, напряжения U и тока I в однофазной цепи частотой 50 Hz с коэффициентом мощности cosφ необходимо:
· выбрать измерительные трансформаторы тока (ТА) и напряжения (TV), амперметр, вольтметр и индукционный счетчик;
· проанализировать нагрузку вторичных цепей TA и TV, используя ориентировочные значения мощностей собственного потребления обмотками приборов [9, табл. 3.5]. При необходимости выбрать другие приборы;
· оценить погрешности измерения U, I, Wa при нормальных условиях эксплуатации и представить результаты измерений в установленной стандартом форме, если продолжительность измерения энергии составляет Δt часов;
· привести схему измерений.
Исходные данные:
U = 5,8 KV; cosφ = 0,93; I = 100 A; Δt = 0,5h
Решение:
Выберем измерительные трансформаторы:
напряжения: тип И50;
класс точности δтн = 0,2
номинальное первичное напряжение U1н = 6000 V
номинальное вторичное напряжение U2н = 100 V
номинальная нагрузка Sнтн = 15 V•A
тока: тип И56М
класс точности δтт = 0,1
номинальный первичный ток I1н = 100 A
номинальный вторичный ток I2н = 5 A
номинальная перегрузка Sнтт = 15 V•A
Определим значения напряжения и тока во вторичных цепях трансформаторов, рассчитав номинальные коэффициенты трансформации KнU и KнI, соответственно:
для напряжения
коэффициент трансформации ;
напряжение во вторичной цепи
для тока
коэффициент трансформации ;
ток во вторичной цепи .
Выберем вольтметр, амперметр и индукционный счетчик для включения их во вторичные цепи измерительных трансформаторов, определим их метрологические характеристики [9, табл. 2.3, 2.4 и табл. 3.5] и примем ориентировочные значения потребляемых мощностей приборами по табл. 3.4.[9]
Название и тип прибора
Амперметр Э377
Вольтметр Э377
Счетчик СО-И445
Верхний предел диапазона измерения
5 V
100 V
-
Номинальные значения напряжения и тока (табл. 3.5)
Погрешность масштабного преобразования измерительных трансформаторов соответствует их классу точности, если мощность всех приборов, включенных в их вторичные цепи, не больше номинальной нагрузки трансформатора.
Так во вторичную цепь трансформатора тока включен амперметр и токовая обмотка счетчика. Их суммарная мощность
SA + SIWh = (4 + 1) V•A= 5 V•A,
что меньше номинальной мощности трансформатора тока (SНтт = 15 V•A).
Для трансформатора напряжения:
Мощность вторичной цепи трансформатора SHTH = 15 V•A, а суммарная мощность, потребляемая вольтметром и параллельной обмоткой счетчика, составляет всего
SV + SuWh = 3 + 4 = 7 V•A.
Оценим погрешности измерения напряжения U, тока I и энергии Wa, учитывая, что погрешности вносятся как измерительным прибором так и измерительными трансформаторами.
Погрешность δU измерения напряжения равна
δU = δV + δтн;
тока δI = δA + δтт; энергии δw = δwh + δтт + δтн,
где δV – относительная погрешность измерения напряжения вольтметром
δA – относительная погрешность измерения тока амперметром
δwh – класс точности счетчика.
При измерении напряжения U2 = 96,7 V выбранным вольтметром и трансформатором напряжения получим
при измерении тока I2 = 5 A
при измерении энергии
Значения погрешностей в абсолютной форме, соответственно равны
;
.
, 100 или 150 V) определяется номинальными значениями используемых для измерения приборов приводов.
;
;
.
