Измерительные трансформаторы тока

Трансформаторы тока служат для преобразования тока большой величины в ток малой величины. На рис. 224 показаны устройство и схема включения трансформатора тока. На сердечник, собранный из отдельных листов трансформаторной стали, наматываются две обмотки: первичная, состоящая из небольшого количества витков, включаемая последовательно в цепь, по которой проходит измеряемый ток, и вторичная, состоящая из большого числа витков, к которой подключены измерительные приборы. При измерении тока в сетях высокого напряжения измерительные приборы оказываются отделенными и изолированными от высоковольтных проводов.

Рис. 224. Схема включения измерительного трансформатора тока

Вторичная обмотка трансформатора тока выполняется обычно на ток 5 а (иногда на 10 а), первичные номинальные токи могут быть от 5 до 15000 а.

Отношение первичного тока к вторичному, равное приближенно обратному отношению витков обмоток, называется коэффициентом трансформации трансформатора тока (обозначается k_T). Номинальный коэффициент трансформации указывается на паспорте трансформатора в виде дроби, в числителе которой указывается номинальный первичный ток, а в знаменателе - номинальный вторичный ток. Например, 150/5 а, т. е. k_T = 30.

Зная вторичный ток I₂ и коэффициент трансформации трансформатора тока k_T, можно определить первичный ток I₁:

I₁ = k_TI₂.

Приборы, постоянно работающие с одним трансформатором, градуируются на первичный ток с учетом коэффициента трансформации. Применение трансформатора тока, так же как и трансформаторов напряжения, вносит неизбежные погрешности (до ±1%) в результате измерений.

Напомним, что в трансформаторе напряжения результирующий магнитный поток при любом режиме работы остается почти постоянным. Если же в трансформаторе тока при неизменном первичном токе, величина которого определяется током нагрузки, увеличивать сопротивление в цепи вторичной обмотки, то это приведет к уменьшению тока I₂ и потока Φ₂, что в свою очередь вызовет увеличение результирующего потока Φ. При размыкании вторичной обмотки (I₂ = 0, Φ₂ = 0) результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора увеличится до величины потока Φ₁. Сердечник, рассчитанный на результирующий поток Φ, в этом случае станет перегреваться, что может привести к порче трансформатора. Кроме того, увеличенный против обычного магнитный поток будет индуктировать во вторичной обмотке значительную э.д.с. (500-1000 в), опасную при случайном прикосновении к ее зажимам. Поэтому при протекании тока по первичной обмотке размыкать вторичную обмотку нельзя; она должна быть всегда замкнута на приборы или накоротко.

При увеличении сопротивления вторичной цепи возрастает результирующий магнитный поток, сердечник трансформатора насыщается, что приводит к увеличению погрешностей трансформатора.

Подключая к трансформатору тока измерительные приборы, необходимо следить, чтобы мощность, потребляемая приборами, не превышала номинальной мощности трансформатора. Если, например, мощность трансформатора равна 20 ва, то при вторичном токе в 5 а сопротивление вторичной цепи должно быть не более

r =	P	=	20	= 0,8 ом.
	I^22		25

При подсчетах необходимо учитывать сопротивление проводов. Допускаемая нагрузка трансформаторов тока лежит в пределах 15-75 ва.

У трансформаторов тока один конец вторичной обмотки и кожух заземляются с той же целью, что и у трансформаторов напряжения. Трансформаторы тока делятся по различным признакам.

По числу вторичных цепей трансформаторы делятся на однообмоточные и двухобмоточные. В последнем случае трансформатор имеет две вторичные обмотки, намотанные на два сердечника. Такой трансформатор служит для питания двух раздельных вторичных цепей: например, от одной обмотки могут питаться измерительные приборы, а от другой - реле.

По числу витков первичной обмотки трансформаторы делятся на одновитковые и многовитковые.

По степени точности трансформаторы тока делятся на пять классов: 0,2; 0,5; 1; 3 и 10. Цифры обозначают погрешность в коэффициенте трансформации в процентах.

В зависимости от назначения трансформаторы делятся на стационарные (устанавливаемые на одном месте) и переносные. Последние изготовляются с несколькими (до 28) коэффициентами трансформации.

Своеобразным трансформатором тока являются измерительные клещи (рис. 225). Разъемный стальной сердечник при помощи изолирующих ручек может раздвигаться и охватывать провод или шину. Амперметр, укрепленный на клещах, подключен к концам вторичной обмотки, намотанной на сердечник. Первичной обмоткой является провод или шина с измеряемым током.

Рис. 225. Измерительные клещи

Трансформаторы тока служат для включения амперметров, последовательных обмоток ваттметров, счетчиков, фазометров, токовых реле и т. п.

 

Измерение тока

Для измерения тока в цепи служат амперметры, включаемые последовательно в цепь, где производится определение величины тока. Чтобы ток в цепи при включении амперметра не изменился, необходимо сопротивление его обмотки делать очень малым. Для этого обмотку амперметра делают из небольшого числа витков толстой проволоки. Чтобы расширить пределы измерения амперметра, применяют шунты. Шунты представляют собой манганиновые пластины или стержни, впаянные в медные или латунные наконечники (рис. 226). Шунт включается в цепь последовательно. Параллельно ему включается амперметр (рис. 227), Ток цепи I в точке A разветвляется обратно пропорционально сопротивлениям обмотки амперметра r_a и шунта r_ш:

	Ia	=	rш	, причем Iш = I - Ia,
	Iш		ra

откуда сопротивление шунта будет

rш =	Iara	.
	I - Ia

Рис. 226. Амперметр с шунтом

Рис. 227. Схема включения амперметра с шунтом

Обозначим отношение тока I к току I_а через n (число n иногда называют коэффициентом шунтирования). Тогда выражение для r_ш можно записать так:

rш =	ra	.
	n - 1

Пример 1. Определить сопротивление шунта к амперметру на 5 а с внутренним сопротивлением 0,006 ом, необходимого для измерения тока 20 а:

I_а = 5 а

r_а = 0,006 ом

I = 20 а

На токи до 100 а шунты помещают внутри прибора (внутренние шунты). На большие токи шунты делаются наружными и присоединяются к амперметрам при помощи проводов, сопротивление которых точно выверено, так как иначе распределение токов будет другим и измерение неправильным. Встречаются универсальные шунты на несколько пределов измерений. Приборы, которые постоянно работают со своим индивидуальным шунтом, градуируются с учетом шунта, о чем делается надпись на шкале прибора. Часто применяются также калиброванные шунты. Такой шунт можно включать с любым прибором, рассчитанным на ту же величину падения напряжения, что и данный шунт. Обычно шунты ставятся только к приборам магнитоэлектрической системы для измерений в цепях постоянного тока.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока применяются трансформаторы тока (рис. 228).

Рис. 228. Применение трансформаторов тока для измерения тока: а - при равномерной нагрузке, б - при неравномерной нагрузке

 

 

Измерение напряжения

Для измерения напряжения употребляются вольтметры. Вольтметры включаются параллельно тому участку цепи, где необходимо измерить напряжение. Чтобы прибор не потреблял большой ток и не влиял на величину напряжения цепи, обмотка его должна иметь большое сопротивление. Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее он будет измерять величину напряжения. Для этого обмотка вольтметра изготовляется из большого числа витков тонкой проволоки.

Для расширения пределов измерения вольтметров употребляются добавочные сопротивления, включаемые последовательно с вольтметрами (рис. 229). В этом случае напряжение сети распределяется между вольтметром и добавочным сопротивлением. Величину добавочного сопротивления необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы в цепи с повышенным напряжением по обмотке вольтметра проходил тот же ток, что и при номинальном напряжении. Ток, на который рассчитана обмотка прибора,

Iв	U	.
	rв

Рис. 229. Схема включения добавочного сопротивления к вольтметру

В цепи с напряжением, в n раз большим, ток вольтметра с добавочным сопротивлением r должен остаться прежним:

Iв	nU	или ^U/rв =	nU	,
	rв + r		rв + r

отсюда величина добавочного сопротивления равна

r = r_в (n - 1).

Пример 2. Вольтметром на 25 в необходимо измерить напряжение 150 в. Определить величину добавочного сопротивления, если внутреннее сопротивление вольтметра 1000 ом:

Добавочные сопротивления изготовляют из манганиновой проволоки, намотанной на гетинаксовый или фарфоровый каркас, и помещают внутри прибора или отдельно от него. Для измерения высоких напряжений переменного тока употребляются измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение активной мощности

Постоянный ток. Из формулы мощности постоянного тока

P = UI

видно, что определение мощности может быть произведено путем умножения показаний амперметра и вольтметра. Однако на практике измерение мощности обычно производится при помощи специальных приборов - ваттметров. Ваттметр (рис. 230) состоит из двух катушек: неподвижной 1, состоящей из небольшого числа витков толстой проволоки, и подвижной 2, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки. При включении ваттметра ток нагрузки проходит через неподвижную катушку, последовательно включенную в цепь, а подвижная катушка включается параллельно потребителю. Для уменьшения потребляемой мощности в параллельной обмотке и уменьшения веса подвижной катушки последовательно с ней включается добавочное сопротивление 3 из манганина. В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек возникает момент вращения, пропорциональный токам обеих катушек:

M = c₁I₁I₂.

Рис. 230. Принципиальная схема электродинамического ваттметра

Ток параллельной обмотки I₂ при постоянном сопротивлении параллельной цепи пропорционален напряжению цепи. Отсюда

M = c₂I₁U = c₂P,

т. е. вращающий момент прибора пропорционален мощности, потребляемой в цепи.

Чтобы стрелка прибора отклонялась от нуля вправо, необходимо ток через катушку пропускать в определенном направлении.

Для этого два зажима, указывающие начала обмоток, обозначаются знаком * и электрически соединяются. На шкале ваттметра указываются номинальный ток и номинальное напряжение прибора. Так, например, если на шкале прибора обозначено 5 а и 150 в, то прибор может измерять мощность до 750 вт. Шкалы некоторых ваттметров градуированы в делениях, Если, например, ваттметр на 5 а и 150 в имеет 150 делений, то цена деления, или постоянная ваттметра, равна 750:150 = 5 вт/дел. Кроме электродинамических ваттметров, для измерения мощности в цепях постоянного тока употребляются также ваттметры ферродинамической системы.

Однофазный переменный ток. При включении электродинамического ваттметра в цепь переменного тока магнитные поля подвижной и неподвижной катушек, взаимодействуя между собой, вызовут поворот подвижной катушки. Мгновенное значение момента вращения подвижной части прибора пропорционально произведению мгновенных значений токов в обеих катушках прибора.

Момент вращения прибора пропорционален средней, или активной, мощности Р = U ⋅ I cos φ. По углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о величине активной мощности, потребляемой цепью.

Для измерения мощности переменного тока пользуются также ваттметрами ферродинамической системы.

При измерении ваттметром мощности в сетях низкого напряжения с большими токами применяют трансформаторы тока.

Для определения мощности сети P₁ в этом случае нужно показание ваттметра Р₂ умножить на коэффициент трансформации трансформатора тока k_T:

P₁ = P₂k_T.

В сетях высокого напряжения при измерении мощности используются измерительные трансформаторы напряжения и тока (рис. 231). Для получения мощности сети Р₁ нужно показание ваттметра Р₂ умножить на произведение коэффициентов трансформации трансформаторов напряжения и тока:

P₁ = P₂k_нk_T.

Рис. 231. Включение ваттметра с помощью измерительных трансформаторов

Так, например, если ваттметр включен через трансформатор напряжения 6000/100 в и трансформатор тока 150/5 а и ваттметр показал 80 вт, то мощность сети будет

P₁ = 80 ⋅ ⁶⁰⁰⁰/₁₀₀ ⋅ ¹⁵⁰/₅ = 144000 вт = 144 квт.

При включении ваттметров (счетчиков) через измерительные трансформаторы нужно присоединять эти приборы так, чтобы по обмоткам их проходили токи в том же направлении, как если бы они были непосредственно включены в сеть.

Кроме ваттметра, мощность однофазного переменного тока можно определить по показаниям трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра - согласно формуле

P = UI cos φ.

Трехфазный переменный ток. При симметричной нагрузке трехфазной системы для измерения мощности пользуются одним однофазным ваттметром, включенным по схеме, показанной на рис. 232 (а - для соединения звездой; б - для соединения треугольником). По последовательной обмотке ваттметра в этом случае протекает фазный ток, а параллельная обмотка включена на фазное напряжение. Поэтому ваттметр покажет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы нужно показание однофазного ваттметра умножить на три.

Рис. 232. Включение однофазного ваттметра при равномерной нагрузке (трехпроводная система)

При несимметричной нагрузке в четырехпроводной сети трехфазного тока для измерения мощности применяется схема трех ваттметров (рис. 233). Каждый однофазный ваттметр измеряет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы необходимо взять сумму показаний трех ваттметров.

Рис. 233. Включение трех однофазных ваттметров для измерения мощности трехфазной цепи (четырехпроводная система)

При переменной нагрузке трудно получить одновременный отсчет показаний трех ваттметров. Кроме того, три однофазных ваттметра занимают много места. Поэтому часто применяют один трехэлементный трехфазный ваттметр, представляющий собой соединение в одном приборе трех однофазных ваттметров. У трехэлементного электродинамического ваттметра три подвижные параллельные катушки насажены на одну ось, связанную со стрелкой, и общий момент, полученный в результате сложения механических усилий каждой катушки, будет пропорционален мощности, потребляемой в трехфазной сети. В других конструкциях подвижные катушки, расположенные в разных местах, связаны между собой гибкими лентами и передают суммарное усилие на ось со стрелкой.

Активную мощность трехфазной сети при равномерной нагрузке можно определить при помощи трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра - по формуле

P = √3 UI cos φ,

где U и I - линейные напряжения и ток;

φ - угол сдвига между фазным напряжением и током.

Мощность трех проводной трехфазной сети при любой нагрузке (равномерной или неравномерной) независимо от способа соединения потребителей (звездой или треугольником) может быть измерена по схеме двух ваттметров.

По первому закону Кирхгофа, сумма мгновенных значений токов всех трех фаз равна нулю:

i₁ + i₂ + i₃ = 0,

откуда

i₂ = - i₁ - i₃.

Мгновенная мощность трехфазной системы будет

p = i₁u₁ + i₂u₂ + i₃u₃,

где u с индексами - мгновенные значения фазных напряжений.

Подставляя в последнее выражение значение тока i₂, получим

p = i₁u₁ - i₁u₂ - i₃u₂ + i₃u₃,

или

p = i₁(u₁ - u₂) + i₃(u₃ - u₂).

Полученное уравнение показывает, что один из ваттметров надо включить так, чтобы по его токовой катушке протекал ток первой фазы, а катушка напряжения находилась бы под разностью напряжений первой и второй фаз; другой ваттметр следует включить так, чтобы по его токовой катушке протекал ток третьей фазы, а катушка напряжения находилась бы под разностью напряжений третьей и второй фаз.

Сложив показания обоих ваттметров, получим мощность всех трех фаз.

На рис. 234, а - в показаны три варианта для схемы двух ваттметров.

Рис. 234. Схема включения двух ваттметров

На схемах видно, что последовательные обмотки ваттметров включают в любые два линейных провода сети. Начала параллельных обмоток каждого ваттметра подключаются к тому же проводу, в который включена последовательная обмотка ваттметра. Концы параллельных обмоток подключаются к третьему линейному проводу.

При симметричной активной нагрузке и cos φ = 1 показания ваттметров равны между собой. При cos φ, не равном единице, показания ваттметров не будут равны. При cos φ, равном 0,5, один из ваттметров покажет нуль. При cos φ меньшем 0,5, стрелка этого прибора начнет отклоняться влево. Чтобы получить показание прибора, необходимо переключить концы его последовательной или параллельной обмотки.

Для измерения активной мощности трехфазной системы по показаниям двух ваттметров нужно складывать их показания или вычитать из показания одного ваттметра показание другого ваттметра, которое было отрицательным. Схема измерения мощности двумя ваттметрами с помощью измерительных трансформаторов напряжения и тока дана на рис. 235.

Рис. 235. Измерение мощности по схеме двух ваттметров с помощью измерительных трансформаторов

Удобнее измерять мощность при помощи трехфазного ваттметра, в котором совмещены два прибора, включенные по схеме двух ваттметров и действующие на одну общую ось, с которой связана стрелка. В приборах электродинамической и ферродинамической системы две подвижные катушки, расположенные на одной оси или связанные гибкими лентами, вращают одну ось. В приборах индукционной системы два элемента вращают два диска, сидящие на одной оси, или два элемента действуют на один диск. Схема включения двухэлементного трехфазного ваттметра дана на рис. 236.

Рис. 236. Схема включения трехфазного двухэлементного ваттметра

В сетях высокого напряжения трехфазный ваттметр включается при помощи измерительных трансформаторов напряжения и тока.

Измерение активной энергии

Для измерения активной энергии в цепях однофазного переменного тока применяют счетчики индукционной системы. Устройство индукционного счетчика почти такое же, как и индукционного ваттметра. Разница состоит в том, что счетчик не имеет пружин, создающих противодействующий момент, отчего диск счетчика может свободно вращаться. Стрелка и шкала ваттметра заменены в счетчике счетным механизмом. Постоянный магнит, служащий в ваттметре для успокоения, в счетчике создает тормозящий момент.

О количестве электрической энергии, потребляемой в сети, можно судить по числу оборотов, сделанных диском. При помощи червячной или зубчатой передачи вращение оси передается счетному механизму, причем передача подбирается таким образом, чтобы счетный механизм отмечал расход энергии в гектоватт-часах или киловатт-часах.

Количество энергии, приходящееся на один оборот якоря, называется постоянной счетчика. Число оборотов якоря, приходящееся на единицу учтенной электрической энергии, называется передаточным числом. Для проверки счетчика на его таблице указывается постоянная счетчика или передаточное число.

Пример 3. На щитке счетчика обозначено: "1 киловатт-час = 12000 оборотов якоря". При проверке счетчика его диск сделал 120 оборотов за 50 сек. Определить мощность, потребляемую сетью: 1 квт⋅ч = 1000 вт⋅ч = 3600000 вт⋅сек.

Постоянная счетчика равна

	3600000	вт⋅сек/об.
	12000

Энергия за 120 оборотов

	3600000⋅120	вт⋅сек.
	12000⋅50

Мощность, потребляемая сетью,

	3600000⋅120	= 720 вт.
	12000⋅50

Внешний вид однофазного индукционного счетчика показан на рис. 237, а схема включения его в сеть - на рис. 238.

Рис. 237. Устройство индукционного счетчика однофазного тока (а) и общий вид магнитопровода с катушками счетчика (б)

Рис. 238. Схема включения однофазного счетчика в сеть

Активную энергию трехфазного переменного тока можно измерить с помощью двух однофазных счетчиков, включенных в сеть по схеме, аналогичной схеме двух ваттметров. Удобнее измерить энергию трехфазным счетчиком активной энергии, объединяющим в одном приборе работу двух однофазных счетчиков. Схема включения двухэлементного трехфазного счетчика активной энергии та же, что и схема соответствующего ваттметра.

В четырехпроводной сети трехфазного тока для измерения активной энергии применяют схему, аналогичную схеме трех ваттметров, или употребляют трехэлементный трехфазный счетчик. Подсчет энергии по показаниям счетчиков, включенных по приведенным выше схемам, производится так же, как и подсчет мощности по тем же схемам.

В сетях высокого напряжения включение счетчиков производится при помощи измерительных трансформаторов напряжения и тока.