Добавочные сопротивления.

Расширение пределов измерений вольтметров в сетях постоянного тока достигается включением их последовательно с большим добавочным сопротивлением (рис. 3.2.1). Добавочные сопротивления включаются последовательно с вольтметром с таким расчетом, чтобы общее падение напряжения на зажимах обмотки прибора и добавочного сопротивления возросло, что позволяет измерять большие напряжения. Значение добавочного сопротивления может быть подсчитано следующим образом. Для полного отклонения подвижной части вольтметра, имеющего сопротивление обмотки R_V, необходим ток силой I_V. Падение напряжения на зажимах вольтметра при этом будет равно U_V = I_V R_V. При включении добавочного сопротивления R_Д последовательно с вольтметром для полного отклонения в его подвижной части необходимо большее напряжение (U_изм) на зажимах прибора и сопротивления, которое равно U_изм = I_V (R_V + R_Д). Разделив первое уравнение на второе, получим

.

Преобразовав последнее уравнение, найдем значение необходимого добавочного сопротивления . Обозначая , получим

.

Отношение измеряемого напряжения к падению напряжения в обмотке вольтметра, численно равное р, показывает, во сколько раз увеличен предел измерений вольтметров при включении добавочного сопротивления. Таким образом, для расширения пределов измерения напряжения в р раз добавочное сопротивление должно быть в (р – 1) раз больше сопротивления вольтметра. Так же как и шунты, добавочные сопротивления могут либо встраиваться внутрь вольтметра, либо помещаться вне его. В зависимости от этого они называются внутренними или отдельными добавочными сопротивлениями.

Номинальные значения токов, на которые рассчитываются добавочные резисторы, лежат в пределах от 0,01 до 7,5 мА.

Рис. 3.2.2. Схема включения трансформатора тока

Измерительные трансформаторы тока.

При измерении больших переменных токов применяют измерительные трансформаторы переменного тока, кратко называемые трансформаторами тока. Кроме этого, они используются для безопасности обслуживания электрических установок повышенного и высокого напряжения, а также для подключения различных элементов цепей защиты и управления. Применение шунтов для расширения пределов измерения в сетях переменного тока повлекло бы за собой дополнительные погрешности вследствие непропорционального изменения значений сопротивлений шунта и обмоток прибора при изменениях силы тока и частоты. Кроме того, поскольку внутреннее сопротивление приборов, предназначенных для измерений в сетях переменного тока, значительно превышает внутреннее сопротивление магнитоиндукционных приборов, работающих в сетях постоянного тока, то и шунты для приборов переменного тока должны были бы иметь значительно большие сопротивления и габариты.

Первичная обмотка трансформатора тока, по которой протекает измеряемый ток I₁, включается последовательно в провод С, в котором измеряется ток (рис. 3.2.2). Во вторичную цепь, по которой протекает ток I₂, включаются амперметры, последовательные обмотки ваттметров, фазометров и другие низкоомные приемники тока. Поэтому трансформаторы тока работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Токи I₁ и I₂, протекая по обмоткам трансформатора, создают намагничивающие силы, под действием которых в сердечнике появляется магнитный поток Ф. С некоторым приближением можно считать I₁ w₁ = I₂ w₂; , где w₁ и w₂ – соответственно число витков в первичной и вторичной обмотках; k_I = w₂ / w₁ = I₁ / I₂ – расчетный коэффициент трансформации. Если w₁ << w₂, то I₂ << I₁, что позволяет вместо большого тока I₁ измерять относительно небольшой ток I₂.

По показаниям приборов, включенных во вторичную обмотку, можно определить значения измеряемой величины. Для этого необходимо показание прибора умножить на коэффициент k_I. Коэффициент k_I называется действительным коэффициентом трансформации тока. Действительный коэффициент трансформации не остается постоянным, он зависит от режима работы трансформатора, т.е. от значений токов и напряжений, характера и величины нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструктивных данных трансформатора и качества материала сердечника. Обычно показание прибора умножается не на действительный, а на номинальный коэффициент трансформации (k_Iн), который указывается на щитке трансформатора.

Определение измеряемых величин по номинальному коэффициенту трансформации приводит к погрешностям. Относительная погрешность (в %) вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации может быть определена:

,

где k_I = I₁ / I₂ и k_Iн = I_1н / I_2н.

Эта погрешность называется токовой погрешностью. Числовые значения наибольших допустимых погрешностей определяют класс точности трансформатора.

Кроме того, трансформаторы характеризуются и угловой погрешностью, которая определяется как угол сдвига между вектором первичной величины и повернутым на 180º вектором вторичной. Если повернутый вектор опережает первичный, погрешность считается положительным. Угловая погрешность сказывается на результатах измерений только фазочувствительными приборами, такими как, например, ваттметры и счетчики. Так как погрешности трансформаторов зависят от их нагрузки, определяемой включенными приборами, в паспорте указывают значение допустимой нагрузки.

В трансформаторе тока происходит передача энергии из первичной во вторичную цепь. Кроме того, часть энергии расходуется на потери в сердечнике и первичной обмотке трансформатора, что обусловливает некоторую погрешность.

Для снижения погрешности измерений сопротивление Z₂, которое складывается из сопротивлений резисторов, включенных во вторичной цепи, и из сопротивления вторичной обмотки, должно быть уменьшена. Поэтому сопротивления измерительных приборов во вторичной цепи должны быть по возможности малыми.

При разрыве цепи измерения ток I₂ равен нулю и ток холостого хода I₀ становится равным току I₁, т.е. возрастает в несколько десятков и даже сотен раз. Соответственно увеличивается падение напряжения на первичной обмотке, а напряжение во вторичной обмотке возрастает в k_I раз и может достигнуть значений, опасных для обслуживающего персонала и способных вызвать разрушение изоляции. Поэтому режим разрыва вторичной цепи является аварийным. По этой же причине нежелательно включение вторичной обмотки трансформатора на высокоомную нагрузку. Таким образом, только включение во вторичную цепь низкоомных приемников энергии (амперметров, последовательных обмоток ваттметров и счетчиков энергии и т.п.) обеспечивает нормальную работу трансформатора тока.

Рис. 3.2.3 Схема включения трансформатора напряжения

Для трансформаторов тока устанавливается ряд номинальных значений первичного тока – от 1 до 40 000 А. Любому номинальному току в первичной обмотке соответствует номинальный вторичный ток: 1; 2; 2,5 и 5 А. Классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10. На корпусе трансформатора указаны номинальные токи или номинальные значения коэффициента трансформации (k_Iн). Иногда цифры даны в виде дроби: в числителе указан номинальный первичный ток, а в знаменателе – длительный номинальный вторичный ток.