3 Лекция № 3. Измерение переменных токов и напряжений

 

Содержание лекции: измерительные трансформаторы тока и напряжения; электромагнитные измерительные приборы; схемы измерения тока и напряжения.

Цель лекции: изучить назначение и метрологические параметры измерительных трансформаторов тока и напряжения, их схемы включения; принцип действия и устройство ИМ электромагнитной системы; практические схемы измерения тока и напряжения в сети переменного тока.

Схемы контроля тока и напряжения выполняются по стандартной структуре: измерительный преобразователь – проводная линия связи – показывающий или регистрирующий прибор. В качестве преобразователей применяются статические электромагнитные аппараты – измерительные трансформаторы ИТ.

Трансформаторы тока.

Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для:

          уменьшения измеряемого тока в электроустановках до 1000В до 5А, или до 1А с целью подключения стандартных средств измерений и аппаратов защиты;

          отделения измерительной цепи от высоковольтных цепей в установках напряжением свыше 1000В и выполнения тех же функций, что и в низковольтных установках.

ТТ представляет тороидальный магнитопровод 1 (см. рисунок 3.1) из качественной электротехнической стали. По поверхности торойда намотана вторичная обмотка 2. Первичная обмотка в виде проходной шины 3 отделена от торойда слоем изоляции на основе эпоксидных смол.

Г – генератор (источник питания); Z_Н – нагрузка цепи; Л1-Л2 – начало и конец первичной обмотки; И1-И2 – начало и конец вторичной обмотки.

Рисунок 3.1 – Схема включения трансформатора тока

 

ТТ характеризуется метрологическими характеристиками:

          номинальным первичным током – I_Н1 (свыше 5А – до 40кА);

          номинальным вторичным током – I_Н2 (5 или 1А);

          номинальным коэффициентом трансформации – К_ТН.

Коэффициент К_НТТ есть номинальный коэффициент трансформации ТТ

K_НТТ = ₂/₁ = I_H1/I_H2,

где I_H1, I_H2 – номинальные первичные и вторичные токи ТТ.

Токовая погрешность ТТ равна

δ_I = 100(I₂ К_НТТ – I₁)/I₁, %.

Как видно из рисунка 3.2а, токовая погрешность отрицательная для промышленных ТТ и увеличивается по мере уменьшения нагрузки в электрической цепи.

Угловая погрешность δ_θ определяется углом θ, измеряемым в минутах  (см. рисунок 3.2, б). Угловая погрешность очень сильно зависит от коэффициента мощности cos φ в электроустановке, так как

δ_θ = 00291 θ tgφ.

а)                               б)                          в)

Рисунок 3.2 – Токовая (а), угловая (б) погрешности ТТ класса точности 0,5; нормированные пределы и токовая погрешность компенсированного ТТ (в)

Токовая погрешность влияет на результат измерения тока в информационных системах, так как, по существу, δ_I определят абсолютную погрешность коэффициента трансформации К_тт – ΔК_тт = γ_ттК_нтт/100.

В качестве ИМ в ИС с ТТ применяется прибор электромагнитной системы  (ЭМС) (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Устройство ИМ ЭМС: 1 – неподвижная катушка; 2 – подвижный элемент

 

В ИМ ЭМС вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия магнитного поля катушки с измеряемым током и подвижным лепестком из пермаллоя. Противодействующий момент создаётся одной пружиной. За счёт взаимодействия этих моментов стрелка прибора отклоняется на угол, пропорциональный α = ζ I².Такой прибор может измерять как постоянный, так и переменный токи. На переменном токе он измеряет действующее значение тока. Шкала прибора практически линейная, но 1/5 (20%) часть в начале шкалы – не рабочая. В эксплуатации находятся приборы классов точности 1,5 и 2,5.

На рисунке 3.4 приведен внешний вид ТТ.

Для измерения напряжения в электроустановках с рабочим напряжением свыше 0.4 кВ применяются измерительные трансформаторы напряжения (ТН). ТН – обычный электромагнитный аппарат, конструктивно похожий на силовой понижающий трансформатор. На рисунке 3.5 приведена электрическая схема однофазного ТН. Первичная обмотка с большим числом витков ω₁, рассчитанная на номинальное напряжение U_н1, присоединяется к электрической линии высокого напряжения U_С £ U_Н1. Во вторичную обмотку с числом витков ω ₂ < ω ₁ и, рассчитанной на номинальное вторичное напряжение U_Н2 = 100В, подключается ИМ ЭМС – вольтметр.

Для ТН установлен номинальный коэффициент трансформации

К_НТН = ω ₁/ω ₂ = U_Н1/U_Н2.

Как и ТТ, ТН имеет погрешности: погрешность по напряжению δ_u =100(U₂ К_НТН –U₁)/U₁%; угловую погрешность – δ_θ, определяемую, как и для ТТ в виде δ_θ = 0,0291 δ tgφ, где δ - угол, образованный вектором первичного напряжения и повёрнутым на 180^о вектором приведённого вторичного напряжения (см. рисунок 3.6, б).

Обмотки ТН маркируются следующими обозначениями: первичная – заглавными буквами А (начало) и Х (конец). Концы вторичной обмотки – прописными аналогичными буквами.

Рисунок 3.4 – ИС с ТТ и ИМ ЭМС (а); проходной одновитковый ТТ с фарфоровой изоляцией типа ТПОЛ-10 на 10кВ и ток 1кА с двумя сердечниками (б); проходной шинный ТТ с фарфоровой изоляцией типа ТПШФ – 10 на 10кВ, 3кА с двумя сердечниками (1, 1^! – выводы вторичных обмоток; 2 – опорные планки для шин; 3 – отверстие для ввода шин; 4 – фланец; 5 – кожух; 6 – фарфоровый изолятор)

 

а)                         б)                в)

Рисунок 3.5 – Электрическая схема (а), векторные диаграммы (б) и внешний вид (в) ТН

а)                                                б)

Рисунок 3.6 – ИС с ТН и вольтметром (а) и схема измерения тока и напряжения при помощи ИТ