Делители напряжения

Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяются делители напряжения, представляющие собой в общем случае последовательное соедине­ние двух сопротивлений (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 соответственно. К выходу делителя (к низковольтному плечу) подключают вольтметр, по показаниям которого U_в определяют искомое значе­ние измеряемого напряжения: U = К_дU_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 либо встраиваются в средства измерений, либо изготавливаются как отдельное средство измерений.

Делители напряжения могут быть предназначены для измерений самых разных сигналов. От этого зависят 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 MB) применяют делители напряжения на чисто активных сопротивлениях и смешанные активно-емкостные делители и т. д.

Измерительные усилители

Для усиления слабых сигналов постоянных, переменных и импульсных токов и напряжений, то есть для расширения пределов измерения в сторону малых зна­чений (от 0,1 нВ и 0,3 пА и ниже), применяют активные (то есть 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, возникающая при эксплуатации измерительных усилителей, – это влияние внешних электромагнитных помех (шумов) на результат измерений. По этой причине измерительные усилители мо­гут иметь довольно большое значение погрешности – от 0,1 до 3 и даже до 10 %.

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).

Наиболее часто ТТ и ТН используются для измерений токов и напряжений в сетях промышленной частоты 5,0 Гц, в узлах учета и контроля качества электроэнергии. Кроме основной задачи (преобразования высоких напряжений и больших значений токов к размеру, удобному для измерений низковольтными приборами) они 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 последних они предназначены для измерений и имеют нормированные метрологические характеристики.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков ω₁, и вторичной с числом витков ω₂, – размещенных на магнитном сердечнике. Первичную обмотку трансформатора тока включают в измерительную цепь последовательно для измерений тока, а первичную обмотку 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. Ко вторичной обмотке ТН подключают вольтметры, потенциальные цепи ваттметров и счетчиков, а также потенциальные цепи устройств автоматики и сигнализации. Зажимы трансформаторов имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное включение трансформаторов и приборов.

Значения измеряемых величин определяют умножением показаний приборов на номинальные коэффициенты трансформации трансформатора тока, К_Iн = I_1н/I_2н,

или трансформатора напряжения, К_Uн = U_1н/ U_2н, где I_1н и U_1н – номинальные зна­чения тока и напряжения первичных обмоток; 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 с использованием одного физического закона, 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 ω₁, создает в магнитном сердечнике трансформатора магнитный поток Ф, пропорциональный магнитодвижущей силе I₁ω₁ (ампер-витки), который в соответствии с законом об электромагнитной индукции наводит во вторичной обмотке с числом витков ω₂ 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, I₂ω₂. Если ТТ идеальный и его вторичная обмотка короткозамкнута, то I₁ω₁ = I₂ω₂ (рис. 7.2, а). Следует обратить внимание на то, что вторичный ток I₂ сдвинут по фазе относительно первичного тока I₁ - на угол 180°. Коэффициент трансформации идеального трансформатора равен отношению числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной, К_Iн = I₁/I₂ = ω₂/ω₁.

Рисунок 7.2 – Упрощенные векторные диаграммы трансформатора тока: а – идеального; б – реального

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_2рω₂ по модулю и по углу сдвига фаз отличается от вектора I₁ω₁ идеального ТТ (рис. 7.2, б). На компенсацию потерь расходуется энергия первичного тока (вектор ампер-витков I₀ω₁).

Векторная диаграмма (рис. 7.2, б) показывает, что действительный коэффициент трансформации ТТ только приблизительно равен отношению чисел витков обмоток. Кроме того, он не остается постоянным при изменении условий эксплуатации. При увеличении, например, тока I₁ увеличиваются ток I₂, потери в магнитном сердечнике и, соответственно, вектор I₀ω₁, 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 для работы при нормированном значении нагрузки вторичной обмотки.

Погрешность по току, (или токовая погрешность) определяется как отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального значения. Она составляет (в процентах)

где I'₁ = К_Iн I₂ и I₁ = К_II₂.

Угловая погрешность определяется неточностью передачи значения фазы первичного тока вторичным током и численно равна значению угла δ (в угловых минутах) (рис. 7.2, б).

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 В∙А, то при номинальном значении тока во вторичной цепи 5 А напряжение на зажимах не должно превышать 3 В. Номинальная нагрузка 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 частотой 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 40 000 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 В∙А.

Изоляция трансформаторов может быть 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 60 000 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 В∙А, Для многопредельных лабораторных ТТ могут устанавливаться различные классы точности, действующие 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, который вызовет появление на зажимах вторичной обмотки высокого напряжения. Кроме того что это опасно 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, на основании закона об электромагнитной индукции, потоком Ф во вторичной обмотке ТН создается электродвижущая сила Е₂. Если трансформатор идеальный, то есть отсутствуют потери в сердечнике и нагрузка вторичной обмотки, то коэффициент трансформации равен отношению числа витков первичной и вторичной обмоток K_U = U₁/Е₂ = ω₁/ω₂ (рис. 7.3, а).

Рисунок 7.3 – Упрощенные векторные диаграммы трансформатора напряжения: а – идеального; б – реального

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. 7.3, 6), 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 для работы при нормированном значении нагрузки.

Погрешность по напряжению определяется как отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального значения. Она равна (в процентах)

где U'₁ = К_Uн U₂ и U₁ = К_UU₂.

Угловая погрешность определяется неточностью передачи значения фазы первичного напряжения вторичным напряжением и численно равна значению угла δ (в минутах) (рис. 7.3, б).

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 частотой 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 В∙А.

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 В∙А. 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.