Меры электрических величин. 
Измерительные трансформаторы тока

Вопрос № 1

Что вы знаете об эталонах и мерах электрических величин?

Средства измерения, обеспечивающие воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера другим средствам измерения и выполненное по особой спецификации, называется эталоном.

В зависимости от назначения эталоны делятся на государственные, первичные, вторичные, эталоны копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Рабочие эталоны — это эталоны, предназначенные для передачи размера единицы образцовым средствам измерения или наиболее точным средствам измерения.

Существуют следующие меры электрических величин:

1. Мера тока — токовые весы (Рис.1). Имеют коромысло, на одном плече которого подвешена подвижная катушка. Последовательно с ней соединена неподвижная катушка. При прохождении тока по катушкам возникает сила их электрического взаимодействия, которая уравновешивается эталонными гирями, нагруженными на второе плечо коромысла.

Рис. 1

Рис. 2

Мера э.д.с. — нормальный элемент (НЭ) (Рис. 2). Нормальный элемент состоит из запаянного стеклянного Н-образногно сосуда. Положительным электродом служит ртуть (1), заполняющая нижнюю часть одной ветви сосуда. Над положительным электродом расположена паста — деполяризатор (2) кристаллов сернокислого кадмия и серной закиси ртути. Над пастой и отрицательным электродом (3) которым служит амальгальма кадмия, расположены кристаллы сернокислого кадмия (5). Электролитом служит водный раствор сернокислого кадмия (4).

Рис. 3

Меры электрического сопротивления (Рис.3). Меры электрического сопротивления — образцовые резисторы или образцовые катушки сопротивления. Точность измерительных резисторов определяется по ГОСТ 6864–69, который делит их на классы: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05. Измерительные резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки или ленты. Образцовые резисторы изготавливаются на номинальные сопротивления: 0,1; 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 1000; 10 000; 100 000 Ом. На рис. 3 показано устройство одной из катушек сопротивления. На латунный или фарфоровый цилиндр, А наложена бифилярная (выполненная в два провода) обмотка, на концах которой расположены две пары зажимов I и U, укрепленные на эбонитовой панели Б, к которой крепиться кожух катушки В

2. Меры индуктивности и взаимной индуктивности Меры индуктивности с постоянным значением — это катушки с постоянным значением индуктивности (рис.4).

Рис.4

Образцовые катушки индуктивности представляют собой пластмассовый или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолированной проволоки, концы которой укрепляются на зажимах. Использование каркаса из немагнитного материала обеспечивает независимость индуктивности от тока в катушке.

Образцовые катушки изготавливаются на следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн.

Меры емкости Рис. 5

Меры емкости — это образцовые конденсаторы с известной постоянной или переменной емкостью (Рис.5). Емкость конденсатора должна возможно меньше изменяться в зависимости от времени, температуры, частоты и других факторов, Конденсатор должен обладать малыми диэлектрическими потерями и большим сопротивлением изоляции. В качестве образцовых используются воздушные и слюдяные конденсаторы.

Вопрос № 2

Каково назначение, устройство, режим работы и применение измерительного трансформатора тока и его векторная диаграмма?

Измерительные трансформаторы тока предназначены для преобразования измеряемых переменных токов в относительно малые токи, не превышающие обычно 5 А. Во вторичную цепь трансформатора тока включают амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счетчиков и других приборов.

Измерительные трансформаторы тока состоят из стального магнитопровода и двух изолированных обмоток. Первичная обмотка, имеющая меньшее число витков, включается в рассечку провода с измеряемым током. Вторичная обмотка с большим числом витков замыкается на амперметр и токовые обмотки измерительных приборов, соединенные последовательно, так что сопротивление вторичной цепи мало и не превышает обычно 1 — 2 Ом.

Первичный ток трансформатора не зависит от сопротивления его вторичной цепи. При работе этот ток может изменяться от нуля до номинального, а при коротких замыканиях в цепи может превосходить номинальный в десятки раз.

По векторной диаграмме (Рис.1) запишем уравнение намагничивающих сил

— результирующая намагничивающая сила возбуждающая магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Под током холостого хода I₀ следует понимать ток первичной обмотки, который при разомкнутой вторичной обмотке создает в магнитопроводе номинальный для данного режима магнитный поток.

При нормальном режиме работы трансформатора тока н.с. I₀w₁ и магнитный поток в магнитопроводе не значительны, так как этот поток должен наводить на вторичной обмотке незначительную э.д.с., необходимую для покрытия малых активных и реактивных потерь вторичной цепи трансформатора.

Отношение действительного значения первичного тока I₁ к действительному значению вторичного тока I₂ называется действительным коэффициентом трансформации трансформатора тока «k»

Рис. 1 Векторная диаграмма трансформатора тока:

Вопрос № 3

Как измерить сопротивление изоляции установки, находящейся под рабочим напряжением?

Для измерения сопротивления изоляции установки. Находящейся под рабочим напряжением U, измеряют вольтметром напряжение U, напряжение U_A между проводом, А и землей (положение переключателя А) и обозначив r_v сопротивление вольтметра, можно написать выражение тока, идущего через r_B — сопротивление изоляции провода В:

Включив вольтметр между проводом В и землей (положение переключателя B) и обозначив r_v — сопротивление вольтметра, можно написать выражение тока, идущего через r_A — сопротивление изоляции провода А:

Решив совместно данные выражения, можно найти сопротивление

и сопротивление Если сопротивление r_A>>r_v то при переключателе, установленном в положении А, вольтметр будет соединен последовательно с сопротивлением r_B, которое можно определить по формуле:

r_B = r_v(U/U_A-1)

Аналогично, если сопротивление r_В>>r_v, то при переключателе, установленном в положении В, вольтметр будет соединен последовательно с сопротивлением r_A, значение которого:

r_А = r_v(U/U_В-1)

Контроль за состоянием изоляции в двухпроводных сетях можно осуществлять при помощи вольтметров. При нормальном состоянии изоляции каждый из вольтметров покажет напряжение, равное половине напряжения сети.

Задача 1

Определить чувствительность по напряжению магнитоэлектрического прибора на 5 мВ с внутренним сопротивлением на 10 Ом и шкалой на 100 делений.

Найти сопротивление прибора, чтобы при той же чувствительности по току, чувствительность по напряжению составила 4 дел/мВ Решение:

Из определения чувствительности магнитоэлектрического прибора по напряжению знаем:

где n — количество делений шкалы; U_r — предел измерения прибора.

дел/мВ Найдем чувствительность магнитоэлектрического прибора по току:

=> S_I = S_U · r_Г

где S_I — чувствительность прибора по току; S_U — чувствительность прибора по напряжению; r_Г — сопротивление прибора

S_I = 20 · 10 = 200 дел/мА

Найдем сопротивление прибора при S_U = 4 дел/мВ и S_I = 200 ;дел/мА

Ом Ответ

S_U = 20 дел/мВ

r_Г = 50 Ом Задача 2

Сопротивление изоляции двухпроводной линии, работающей под напряжением 120 В, измерялось вольтметром с внутренним сопротивлением 3 кОм, Напряжение между каждым проводом и землей оказалось равным соответственно U₁ = 25 В, U₂ = 60 В.

Определить значение сопротивления изоляции на землю и оценить качество изоляции Решение:

Воспользуемся методом и схемой измерения сопротивления изоляции электроустановок находящихся под рабочим напряжением:

где U — напряжение сети; U₁ — показание первого вольтметра; U₂ — показание второго вольтметра; r_V — внутреннее сопротивление вольтметра; r₁ сопротивление изоляции провода А; r₂ — сопротивление изоляции провода В Решив совместно эти два уравнения, найдем сопротивления

Ответ:

В данном случае при измерении сопротивления изоляции двухпроводной линии при нормальном состоянии изоляции напряжения U₁ и U₂ должны быть равными половине напряжения сети, т. е. 60 В, то о состоянии изоляции можно сделать вывод, что сопротивление изоляции первого провода не соответствует норме, а второго соответствует.

Задача 3

В трехпроводную сеть трехфазного тока включены амперметры на 5А и вольтметры на 100 В и два однофазных ваттметра на 5А и 150 В со шкалой на 150 делений через измерительные трансформаторы тока 200/5 и напряжения 6000/100 (по схеме двух ваттметров). Определить мощность симметричной нагрузки и показания ваттметра в делениях шкалы, если показания вольтметров до 95 В, амперметров 4,2А, а коэффициент мощности нагрузки 0,8. Начертите схему включения приборов.

Решение:

Определим показания ваттметра Р_W = U_V · I_A·cos? = 95 · 4,2 · 0,8 = 319,2 Вт

где U_V — показания вольтметров; I_A — показания амперметров; cos? (коэффициент мощности нагрузки) = 0,8

Определим мощность симметричной нагрузки Р = Р_W · k_нI · k_нU = 319,2 · 200/5 · 6000/100 = 766 080 Вт = 766,08 кВт где P_W — показание ваттметров; k_нI — коэффициент трансформации трансформатора тока; k_нU — коэффициент трансформации трансформатора напряжения;

Определим предел измерения ваттметров Р_Wmax = U_W · I_W = 150 · 5 = 750 Вт где U_W — предел измерения ваттметров по напряжению; I_W — предел измерения ваттметров по току.

Определим цену деления ваттметров

n_W = P_Wmax / N_W = 750/150 = 5 Вт где P_Wmax — предел измерения ваттметров; N_W — количество делений шкал ваттметров Определим показания ваттметров в делениях

P'_W = P_W /n_W = 319,2 / 5? 64 дел где P_W — показание ваттметров; n_W — цена деления ваттметров Ответ Р = 766,08 кВт

P'_W? 64 дел Задача 4

При измерении тока было получено значение I₁ = 25,5 A, тогда как действительное его значение было I = 25 А. Определить абсолютную и относительную погрешности.

Решение:

Определим абсолютную погрешность

?I = I₁ — I = 25,5 — 25 = 0,5 A

Определим относительную погрешность Ответ

?I = 0,5 A

?_I = 2%

1. «Электрические измерения» В. С. Попов (М. 1974 г.)

2. «Электротехника и электроника» под ред. проф. Б. И. Петленко М.2003г.

3. «Электрические измерения» под редакцией Малиновского 1983 год