3.3. Делители напряжения

Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяются делители напряжения, представляющие собой в общем случае последовательное соединение двух резисторов (называемых высоковольтным и низковольтным плечами), подключаемых к двум точкам электрической цепи, напряжение между которыми необходимо измерить. Коэффициент деления определяется из выражения , где Z_в и Z_н – значения полных сопротивлений высоковольтного и низковольтного плеч делителя. К выходу делителя (к низковольтному плечу) подключают вольтметр, по показаниям которого U_в определяют искомое значение измеряемого напряжения: U = K_д U_в.

В зависимости от рода измеряемого напряжения делители могут быть выполнены на чисто активных, емкостных, индуктивных элементах или смешанного типа, изготовленные на комбинации активных, емкостных и индуктивных элементов. Делители напряжения изготавливаются как встроенными в средства измерений, так и как отдельное средство измерений.

Делители напряжения могут быть предназначены для измерений самых разных сигналов. От этого зависит их конструкция и метрологические характеристики. Так, для масштабного преобразования постоянных напряжений применяют делители напряжения на чисто активных сопротивлениях классов точности от 0,001 до 0,1 и классов напряжений от 100 В до 300 кВ и выше. Для преобразования низких переменных напряжений (до 100 – 1000 В) в диапазоне частот 20 Гц – 100 кГц могут быть использованы индуктивные (автотрансформаторные) делители классов точности до 0,0001, в более широком диапазоне напряжений (до 1150 кВ и выше) – емкостные делители напряжения классов точности 0,1 – 1,0. Для преобразования импульсных высоковольтных напряжений (до 4 – 5 МВ) применяют делители напряжения на чисто активных сопротивлениях и смешанные активно-емкостные делители и т.д.

3.4. Измерительные усилители

Для усиления слабых сигналов постоянных, переменных и импульсных токов и напряжений, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых значений (от 0,1 нВ и 0,3 пА и ниже), применяют активные (т.е. имеющие внешнее питание) масштабные преобразователи - измерительные усилители. По частотному диапазону усиливаемых сигналов измерительные усилители подразделяются на усилители постоянного тока, низкочастотные (20 Гц – 200 кГц), высокочастотные (до 250 МГц) и селективные, обеспечивающие усиление в узкой полосе частот. Они изготавливаются с нормированной погрешностью коэффициента передачи и имеют унифицированный номинальный выходной сигнал (как правило, 10 В или 5 мА). Основная проблема при эксплуатации измерительных усилителей – это влияние внешних электромагнитных помех (шумов) на результат измерений. По этой причине измерительные усилители могут иметь достаточно большое значение погрешности от 0,1 до 3 и даже до 10%.

3.5. Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения

Электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) используются для преобразования переменных токов и напряжений в токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерений (например, 5 А, 100 В).

Наибольшее распространение ТТ и ТН получили для измерений токов и напряжений в сетях промышленной частоты 50 Гц, где используются в узлах учета и контроля качества электроэнергии. Кроме основной задачи (преобразования высоких напряжений и больших значений токов к размеру, удобному для измерений низковольтными средствами измерений) выполняют функцию изолирования цепей низкого напряжения от цепей высокого на полное рабочее напряжение линии электропередачи.

По принципу действия и ТТ и ТН являются обычными электромагнитными трансформаторами, использующими в работе закон электромагнитной индукции, такими же, как и силовые трансформаторы, но в отличие от них предназначены для измерений и имеют нормированные метрологические характеристики.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков w₁ и вторичной – w₂, размещенных на магнитном сердечнике. Первичную обмотку трансформатора тока включают в измерительную цепь последовательно для измерений тока, а трансформатора напряжения – параллельно для измерений напряжения. Рабочей нагрузкой ТТ и ТН являются измерительные приборы и вспомогательные устройства, подключаемые к выходу вторичной обмотки. При этом, ко вторичной обмотке ТТ подключают амперметры, токовые обмотки ваттметров и счетчиков электроэнергии, а также токовые цепи устройств автоматики и сигнализации. К вторичной обмотке ТН подключают вольтметры, потенциальные цепи ваттметров и счетчиков, а также потенциальные цепи устройств автоматики и сигнализации. Для правильного включения трансформаторов и приборов зажимы трансформаторов имеют специальную маркировку (Л₁, Л₂, И₁, И₂ – для ТТ, А, Х, а, х – для ТН).

Значения измеряемых величин определяют умножением показаний приборов на номинальные коэффициенты трансформации трансформатора тока K_Iн = I_1н/I_2н или трансформатора напряжения K_Uн = U_1н/U_2н, где I_1н и U_1н –номинальные значения тока и напряжения первичной обмотки, I_2н и U_2н – номинальные значения тока и напряжения вторичных обмоток трансформаторов, соответствующие номинальным значениям первичных тока и напряжения. Номинальные коэффициенты трансформации указывают в документации и на маркировке трансформаторов в виде отношения номинальных значений первичных и вторичных токов или напряжений.

Далее рассмотрим, почему два трансформатора ТТ и ТН, действующие на одном физическом законе, в одном случае преобразуют электрический ток, а в другом – напряжение? А также причины, приводящие к возникновению погрешности измерений.

Трансформатор тока. Работает в режиме близком к короткому замыканию, и именно поэтому является преобразователем тока. Для идеального трансформатора тока с короткозамкнутой вторичной обмоткой измеряемый ток I₁ , проходя по первичной обмотке с числом витков w₁, создает в магнитном сердечнике трансформатора магнитный поток Ф, пропорциональный магнитодвижущей силе I₁w₁ (ампер-витки), который в соответствии с законом об электромагнитной индукции наводит во вторичной обмотке с числом витков w₂ электродвижущую силу Е₂. Поскольку вторичная обмотка короткозамкнута и активная составляющая выходного сопротивления идеального трансформатора равна нулю, то под действием Е₂ возникает вторичный ток I₂, который согласно правилу Ленца оказывает размагничивающее действие, пропорциональное значению ампер-витков I₂w₂. Если ТТ идеальный и его вторичная обмотка короткозамкнута, то I₁w₁ = I₂w₂ (рис. 3.2 а). Следует обратить внимание, что вторичный ток I₂ сдвинут по фазе относительно первичного тока I₁ на угол 180⁰. Коэффициент трансформации идеального трансформатора равен отношению числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной K_Iи= I₁/ I₂= w₂/ w₁.

Реальный ТТ отличается от идеального тем, что в его магнитном сердечнике есть потери, выходное сопротивление вторичной обмотки отличается от нуля и из-за подключаемых приборов его режим работы несколько отличается от режима короткого замыкания. Это приводит к тому, что на векторной диаграмме вектор реальных ампер-витков вторичной обмотки I_2рw₂ по модулю и по углу сдвига фаз отличается от вектора I₁w₁ идеального ТТ (рис. 3.2 б). На компенсацию потерь расходуется энергия первичного тока (вектор ампер-витков I₀w₁).

Векторная диаграмма (рис. 3.2 б) показывает, что действительный коэффициент трансформации ТТ только приблизительно равен отношению чисел витков обмоток. Кроме этого, он не остается постоянным при изменении условий эксплуатации. При увеличении, например, тока I₁ увеличивается ток I₂ и потери в магнитном сердечнике и соответственно вектор I₀w₁, при изменении значения нагрузки изменяется отношение токов I₁/ I₂ . Поэтому для реальных ТТ в соответствии с их классом точности устанавливают предел допускаемой погрешности по току и угловую погрешность при работе на нормированное значение нагрузки вторичной обмотки.

Рис. 3.2

Погрешность по току (или токовая погрешность) определяется как отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального значения. В процентах она равна

γ_I = 100(I'₁ – I₁)/I₁ = 100(K_Iн – K_I)/K_I,

где I'₁ = K_Iн I₂ и I₁ = K_I I₂.

Угловая погрешность определяется неточностью передачи значения фазы первичного тока вторичному и численно равна значению угла δ на рис. 3.2 б (в угловых минутах).

Наибольшее сопротивление (в омах), на которое может быть замкнута вторичная обмотка при условии, что погрешность трансформатора не превысит допустимое значение, называется номинальной нагрузкой. В документации на ТТ и на его маркировке обычно указывают номинальную мощность нагрузки, выраженную в вольт-амперах. Если, например, номинальная мощность составляет 15 ВА, то при номинальном значении тока во вторичной цепи 5 А напряжение на зажимах не должно превышать 3 В. Номинальная нагрузка в омах в этом случае должна быть не более z=U_2н/I_2н=0,6 Ом.

В зависимости от назначения ТТ подразделяют на рабочие и лабораторные. Рабочие ТТ предназначены для эксплуатации в составе установок переменного тока частоты 50 Гц, лабораторные ТТ - для поверки средств измерений, в том числе – других трансформаторов тока, а также для точных лабораторных измерений.

Рабочие электромагнитные трансформаторы тока выпускают на номинальные значения первичных токов от 1 до 40000 А при номинальных значениях вторичных 1 или 5 А. Классы точности – от 0,2 до 10 при номинальной мощности вторичной нагрузки от 2,5 до 100 ВА. Изоляция трансформаторов рассчитана на эксплуатацию в сетях с номинальным напряжением от 0,66 до 750 кВ.

Лабораторные ТТ могут выпускаться на номинальные значения первичных токов от 0,1 до 60000 А при номинальных значения вторичных 1; 2 или 5 А. Классы точности лабораторных ТТ – от 0,01 до 0,2 при номинальной мощности от 2,5 до 15 ВА. Для многопредельных лабораторных ТТ могут устанавливаться различные классы точности при различных коэффициентах трансформации и различных значениях вторичной нагрузки.

Число витков вторичной обмотки ТТ как правило больше числа витков первичной, поэтому при эксплуатации вторичная обмотка должна быть постоянно замкнута на сопротивление, не превышающее номинальную нагрузку. Если вторичную цепь ТТ во время работы разомкнуть, то ТТ превратится в трансформатор напряжения, и ток первичной обмотки создаст в магнитном сердечнике очень сильный магнитный поток (размагничивающий магнитный поток вторичной обмотки отсутствует). Это вызовет появление на зажимах вторичной обмотки высокого напряжения. Кроме опасности для обслуживающего персонала, появление высокого напряжения может вызвать пробой изоляции вторичной обмотки на корпус, а также перегрев сердечника вследствие высоких потерь на вихревые токи и гистерезис. Даже при транспортировании и хранении ТТ выходные зажимы вторичной обмотки должны быть замкнуты накоротко.

Следует отметить, что первичные обмотки как лабораторных, так и рабочих ТТ на большие значения токов (свыше 600 А) делают одновитковыми в виде шины с измеряемым током, проходящей через окно в сердечнике, на который намотана вторичная обмотка.

Трансформаторы напряжения. В отличие от трансформаторов тока ТН работают в режиме, близком к холостому ходу. Под действием приложенного измеряемого напряжения U₁ по первичной обмотке ТН протекает небольшой намагничивающий ток, создающий в магнитном сердечнике магнитный поток Ф. В свою очередь, потоком Ф во вторичной обмотке ТН на основании закона об электромагнитной индукции создается электродвижущая сила Е₂. Если трансформатор идеальный, т.е. отсутствуют потери в сердечнике и отсутствует нагрузка вторичной обмотки, то коэффициент трансформации равен отношению числа витков первичной и вторичной обмоток K_U= U₁/ Е₂=w₁/w₂. (см. рис. 3.3 а).

а)

Рис. 3.3

Реальный ТН отличается от идеального тем, что в его магнитном сердечнике и в обмотках есть потери, поэтому его режим работы отличается от режима холостого хода. Вследствие этого реальное напряжение на вторичной обмотке U₂ отличается от Е₂ и коэффициент трансформации только приблизительно равен отношению числа витков первичной и вторичной обмоток (рис. 3.3 б), причем действительное значение коэффициента трансформации зависит от значения нагрузки и значения первичного напряжения. Поэтому для реальных ТН, так же, как для ТТ, в соответствии с их классом точности устанавливают предел допускаемой погрешности по напряжению и угловую погрешность при работе на нормированное значение нагрузки.

Погрешность по напряжению определяется как отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального значения. В процентах она равна

γ_U = 100(U'₁ – U₁)/U₁ = 100(K_Uн – K_U)/K_U,

где U'₁ = K_UнU₂ и U₁ = K_UU₂.

Угловая погрешность определяется неточностью передачи значения фазы первичного напряжения вторичному и численно равна значению угла δ на рис. 3.3 б (в минутах).

Номинальную нагрузку ТН выражают в виде значения номинальной мощности нагрузки Р_н (в вольт-амперах) и указывают в документации и на маркировке ТН. Трансформатор должен иметь погрешность не более установленной классом точности в диапазоне нагрузок от 25 до 100 % от Р_н.

В зависимости от назначения ТН подразделяют на рабочие и лабораторные. Рабочие ТН предназначены для эксплуатации в составе установок переменного тока 50 Гц, лабораторные – для поверки средств измерений и выполнения точных лабораторных измерений.

Рабочие электромагнитные ТН выпускают на номинальные первичные напряжения до 500 кВ. При увеличении класса напряжения существенно возрастают геометрические размеры и масса ТН, что связано с необходимостью изолирования цепей низкого напряжения от цепей высокого, поэтому для измерений напряжений 500 кВ и выше изготавливаются так называемые емкостные трансформаторы напряжения. Емкостные ТН представляют собой последовательное соединение емкостного делителя напряжения и электромагнитного ТН более низкого класса напряжения (обычно 35 кВ).

Стандартные значения номинальных выходных напряжений ТН составляют 100/√3 или 100 В. Классы точности рабочих ТН – от 0,1 до3,0 при значениях номинальной мощности нагрузки от 10 до 1200 ВА.

Для работы в сетях с номинальным рабочим напряжением до 10 кВ изготавливаются трехфазные ТН, включаемые одновременно в три фазы линии электропередачи. Трехфазные ТН представляют собой три однофазных трансформатора, помещенных на общем магнитном сердечнике в один корпус.

Лабораторные ТН выпускают только в однофазном исполнении на номинальные значения напряжений от 220 В до 35 кВ классов точности 0,05; 0,1 или 0,2 при работе на номинальную нагрузку от 5 до 25 ВА. Как правило, лабораторные ТН изготавливаются сразу на несколько пределов измерений.

Аварийным режимом при работе ТН является короткое замыкание вторичной обмотки. Для предотвращения аварийного режима в первичную цепь ТН устанавливают предохранитель в виде плавкой вставки.