1.3.2. Вимірювальні трансформатори

Вимірювальний трансформатор - це масштабний електромагнітний перет-ворювач, призначений для точного перетворення (трансформації) струму чи напруги, а також для захисту персоналу при вимірюваннях у колах високої напруги. У вимірювальній техніці застосовують вимірювальні трансформатори струму (ВТС) та вимірювальні трансформатори напруги (ВТН) для розширення границь вимірювань за струмом та напругою відповідних вимірювальних приладів - амперметрів, вольтметрів, ватметрів тощо.

За принципом дії та побудовою вимірювальні трансформатори подібні до силових, але відрізняються від них режимом роботи та способом увімкнення у вимірювальне коло. Конструкція вимірювального трансформатора зображена на рис. 1.4, а. На феромагнітному осерді намотані ізольовано одна від одної дві обмотки - первиннаw_;, яку вмикають в коло вимірюваної величини (сили струму чи напруги), і вторинна w₂,до якої приєднують вимірюваний прилад (амперметр, вольтметр тощо).

Рис. 1.4. Конструкція (а) та умовні позначення вимірювальних трансформаторів струму (б) і напруги (в)

Первинну обмотку ВТС позначають великими літерами " » (початок) і " " (кінець), а вторинну - " " (початок) і " " (кінець) (рис. 1.4, б). Первинну обмотку ВТН позначають великими літерами "А" (початок) і "Х" (кінець), а вторинну - малими літерами "а" (початок) і "х" (кінець) (рис. .1.4, в).

Вимірювальні трансформатора струму (ВТС% ВТС застосовують для розширення границь вимірювань за струмом амперметрів, ватметрів, лічильників електричної енергії,фазометрів та інших вимірювальних приладів на змінному струмі.

Основними метрологічними характеристиками ВТС які регламентовані ГОСТом 7746-89 [8] та ГОСТом 23624-79 [9], є: номінальний коефіцієнт трансформації, клас точності, номінальне навантаження вторинного кола та частота.

Номінальний коефіцієнт трансформації ВТС k_ін дорівнює відношенню первинного номінального струму до вторинного номінального струму тобто

або (1.11)

Номінальне значення первинного струму ВТС вибирають з ряду:І_т =0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 2,5; 3; 4; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50;75; 80; 100; 150; 200;...; 60000 А,

а номінальне значення вторинного струму І_2Н переважно дорівнює 5 А, хоч для частоти 50 Гц допустимими є значення 1 А і 2 А.

Як вже відзначалося вище, до вторинної обмотки ВТС під'єднують амперметри, струмові кола ватметрів, лічильників електричної енергії, фазометрів тощо, опір яких невеликий, тобто ВТС працює в режимі, близькому до режиму короткого замикання. Тому номінальне навантаження вторинного кола Z_2H для ВТС з =5 А встановлюють в діапазоні 0,02..1 Ом з коефіцієнтом потужності cos =0,8..1 індуктивного характеру, якому відповідає напруга на вторинній обмотці =0,1.. .5 В.

Строго заборонено під'єднувати до вторинної обмотки ВТС об'єкти з великим опором і, особливо, розмикати її під час вимірювання, оскільки у такому разі напруга на вторинній обмотці досягає сотень вольт, що може призвести до руйнування ВТС і є небезпечним для обслуговуючого персоналу.

Трансформаторам струму властиві два види похибок - струмова похибка , яку виражають у відсотках, і кутова похибка яку виражають в радіанах або в кутових мінутах.

Струмова похибка f_t зумовлена різницею між номінальним та істинним коефіцієнтами трансформації і дорівнює:

∙100% (1.12)

Істинний коефіцієнт трансформації який дорівнює відношенню істинних значень струму у первинній і вторинній обмотках ВТС ( ), не є сталим а залежить від режиму роботи трансформатора - істинного значення струму. в обмотці щодо номінального І_1Н, значення і характеру навантаження вторинного кола Z₂, частоти тощо, і, відповідно, від цих самих величин залежить значення струмової похибки .

Кутова похибка зумовлена тим, що у реальних трансформаторах на відміну від ідеальних, вектор вторинного струму повернутий відносно первинного не точно на 180 і вона дорівнює кутові між вектором первинного струму і повернутим на 180^o вектором вторинного струму І₂ Кутову похибку δ_І вважають додатною, якщо вектор первинного струму відстає від повернутого на 180⁰ вектора вторинного струму.

Струмова похибка ВТС впливає на точність показів усіх вимірювальних приладів, увімкнених до його вторинної обмотки, а кутова - тільки на точність показів фазочутливих приладів (ватметрів, фазометрів, лічильників електричної енергії тощо).

Клас точності ВТС позначають одним числом с, яке вибирають з ряду: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10 і яке дорівнює границі допустимої струмово похибки f_I.zp нормальних умовах застосування, тобто f_I.zp = ± с % при І₁=І_1Н і Z₂=Z_2н

Границі допустимих струмової f_Izp і кутової δ_Ігр похибок ВТС у робочих умовах застосування встановлюються двома способами:

1) для ВТС класів точності 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2, які є лабораторними, згідно з ГОСТом 23624-79 [9] границі допустимих похибок в діапазоні зміни первинного струму І₁ від 0 до 120 % номінального значення І_1Н встановлюють за двочленними формулами:

f_{I.гр %} (1.13)

f_{I.гр мін,} (1.14)

де с і d та а і в - сталі коефіцієнти, значення яких залежить від класу точності ВТС (див. табл. 27.8);

2) для ВТС класів точності 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10, які прийнято називати стаціонарними, згідно з ГОСТом 7746-89 [8] границі допустимих похибок відповідають значенням, вказаним в табл. 27.9. Як видно з табл. 3.2 і табл. 3.3, в діапазоні зміни струму І₁ = (0,5...1,2) І_1н як струмова, так і кутова похибки практично не залежать від значення струму І₁ а граничне значення струмової похибки дорівнює класу точності ВТС, тобто ± с %.

За стійкістю до впливу зовнішніх факторів (температури, вологості повітря тощо) ВТС належать до групи 2 ГОСТу 22261-94 [5]. Залежність похибок ВТС від температури і частоти, а також їх динамічні характеристики вказують в технічній документації на конкретні трансформатори.

Значення коефіцієнтів с іd та а і в для визначення допустимих похибок лабора-торних ВТС

Таблиця 1.2

Клас точності ВТС, с	Значення коефіцієнтів		Границя вторинного наван-таження, % від номінального
	c/d	а/в
0,01	0,01/0,002	1/0,1	95...100
0,02	0,02/0,004	1,5/0,15	50... 100
0,05	0,05/0,005	3/0,3	50...100
0,1	0,1/0,02	5/0,5	25... 100
0,2	0,2/0,04	10/1	25... 100

Границя допустимих похибок стаціонарних ВТС

Таблиця 1.3

Клас точності ВТС, с	Первинний струм, % від номінального	Границя допустимої похибки		Границя вторин-ногного наванта-ження,% від номінаального
		струмової ƒгр,%	кутової δІ,гр,МІН
0,1	5 20 100.. .120	±0,4 ±0,2 ±0,1	±15 ±8 ±5	25... 100
од	5 20 100.. .120	±0,75 ±0,35 ±0Д0	±30 ±15 ±10	25...100
0,3	5 20 100... 120	±1,5 ±0,75 ±0,5	±90 ±45 ±30	25...100
1	5 20 100... 120	±3,0 ±1,5 ±1,0	±180 ±90 ±60	25 ..100
3	50... 120	±3,0	не нормують	50...100
5	50... 120	±5,0	не нормують	50... 100
10	50... 120	±10,0	не нормують	50... 100

За призначенням ВТС поділяються на стаціонарні та. переносні. Переносні лабораторні трансформатори переважно є багатограничними з багатосекційними первинними і вторинними обмотками.

Аналогічно ВТС використовують «Вимірювальні трансформатори напруг (ВТН)».Застосовують їх для розширення границь вимірювання за напругою вольтметрів,  ватметрів, лічильників електричної енергії, фазометрів та інших вимірювальних приладів на змінному струмі.

Основними метрологічними характеристиками ВТН є номінальний коефіцієнт трансформації, класс точності, номінальне навантаження вторинного кола та частота.

Номінальний коефіціїнт трансформації ВТН дорівнює відношенню первинної номінальної напруги та номінальної напруги , тобто

або (3.15)

Номінальні значення первинної напруги ВТН вибирають з ряду =100; 127; 150; 220; 380; 500; 1000; 2000; 3000;...; 750000 В, а номінальні значення вторинної напруги — U_2Н = 100/3; 100/ ; 100; 150; 200/ ; 200 В.

Номінальна потужність вторинного кола ВТН S_2H становить 2.5; 5; 10; 15; 25;.. .100 ВА з коефіцієнтом потужності соsφ₂=0,8...1 індуктивного характеру, а номінальна частота ƒ_н = 50 Гц.

Подібно як і ВТС, трансформаторам напруги властиві два види похибок- похибка напруги ƒ_U, яку виражають у відсотках, і кутова яку виражають в радіанах або у кутових мінутах.

Похибка напруги ƒ_U зумовлена різницею між номінальним та істинним коефіцієнтами трансформації і дорівнює:

ƒ_U= ∙100%, (1.16)

а кутова похибка дорівнює кутові між вектором первинної напруги U₁ і поверненим на 180^o вектором вторинної напруги -U₂і вважається додатною, якщо повернутий на 180° вектор вторинної напруги випереджує вектор первинної напруги.

Значення обох похибок залежать від режиму роботи ВТН, а саме від значення первинної напруги U₁ щодо номінальної U_1H, а також від значення і характеру навантаження вторинного кола. Як вже відзначалося вище, ВТН працюють при великих навантаженнях у режимі, близькому до режиму неробочого ходу, тому категорично заборонено закорочувати вторинну обмотку, що може призвести до руйнування трансформатора.

Клас точності ВТН позначають одним числом с, яке вибирають з ряду: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10 і яке дорівнює границі допустимої похибки напруги ƒ_U,гр в нормальних умовах застосування, тобто ƒ_U,гр — ±с% при U₁ = U_1H і Z₂=Z_2H.

Границі допустимих похибки напруги ƒ_IU,гр і кутової похибки δ_игр Від ,_г в робочих умовах застосування встановлюють двома способами:

1) для ВТН класів точності 0,05; 0,1; 0,2; 0,5, які є лабораторними, границі допустимих похибок yдіапазоні зміни первинної напруги U_І від 80 до 120 %номінального значення U_1н встановлюють за формулами:

ƒ_U,гр.= % (1.17)

δ_U,гр.= мін, (1.18)

де с - коефіцієнт, який числово дорівнює класу точності ВТН; а - коефіцієнт, значення якого залежить від класу точності ВТН (для ВТН класу точності0, 05-а = 3; 0,1-а = 5; 0,2-а - 10; 0,5-а = 20);

2) для ВТН класів точності 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10, які прийнято називати стаціонарними, границі допустимих похибок в діапазоні зміни первинної напруги U₁ від 80 до 120 % номінального значення U_1Н і при потужності навантаження від 0.25 (U₁/U_1Н )² до (U₁ /IU_1Н )² відповідають значенням, вказаним в табл.. 1.4.

Таблиця 1.4

Границі допустимих похибок стаціонарних ВТН

Клас точності ВТН		0,2	0,5	1	3	5	10
Границі допустимих похибок	Напруги ƒU,гр,%	±0,2	±0,5	±1	±3	±5	±10
	Кутової δU,гр, мін	±10	±20	±40		не нормують

Аналогічно, як і у ВТС, похибка напруги ƒ_U ВТН впливає на точність показів всіх вимірювальних приладів, а кутова δ_U, - тільки на точність показів фазочули-вих приладів (ватметрів, лічильників електричної енергії, фазометрів тощо).

Стаціонарні ВТН, на відміну від лабораторних, які є тільки однофазними, можуть бути як однофазними, так і трифазними з однією або двома вторинними обмотками.

Таблиця 1.5

Основні метрологічні характеристики вимірювальних

трансформаторів напруги

Тип ВТН	Клас точності ВТН	Первинна номінальна напруга, В	Вторинна номінальна напруга, В	Номінальне навантаження, В А	Частота, Гц
И510	0,1	3000-6000; 10000; 15000	100/ ; 100; 150; 200/л/з	10... 15 В-А при соsφ2 = 0,8... 1	50
утн	0,2	220; 380; 500	100/ ; 100;	5... 15 В-Апри соsφ2 = 0,8... 1	50 ±5

Схема ввімкнення ВТН у вимірювальне коло зображена на рис. 1.5 - первинну обмотку затискачами "А-Х" під'єднують паралельно до споживача спад напруги на якому необхідно виміряти, а до затискачів "a-x" вторинної обмотки приєднують вольтметр (коло напруги ватметра, лічильника електричної енергії, фазометра тощо). Корпус ВТН і затискач "x" вторинної обмотки обов'язково заземлюють.

Рис. 1.5 Схема увімкнення ВТН для вимірювання напруги

ВТН у вимірювальних колах використовують у разі, коли >, де границя вимірювання вольтметра чи іншого вимірювального приладу. Значення вимірюваної напруги знаходять за формулою:

, (3.15)

де = - показ вольтметра, В; С_V - стала вольтметра, В;N_V - відлік за шкалою вольтметра; - номінальний коефіцієнт трансформації ВТН, В/В.

Для визначення необхідного значення вибирають первинну номінальну напругу із ряду стандартних значень, найближчу більшу від вимірювальної напруги тобто ≥ , а потім вторинну номінальну напругу із ряду значень, передбачених для цього конкретного ВТН (див. табл. 3.5).

Границю вимірювання вольтметра вибирають найближчу більшу порівняно з очікуваним показом ( ≥ ), який визначають за формулою:

3.16