Экзаменационный билет № 15

1. Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра. Схемы измерения больших и малых сопротивлений. Погрешности методов измерений и выражение их через измеряемое сопротивление и сопротивления приборов.

2. Трансформаторы, режимы работы, коэффициенты передачи.

1. Способ амперметра и вольтметра может быть использован и для измерения очень больших сопротивлений, например сопро­тивления изоляционных материалов. Технические условия и стан­дарты на различные электроизоляционные материалы предъяв­ляют определенные требования к допустимым значениям удель­ного объемного и поверхностного сопротивлений. На (рис.в) приведена схема для измерения объемного сопротивления об­разца О листового материала. Образец помещают между двумя металлическими электродами А и Б. Электрод А находится внут­ри так называемого охранного кольца В. Поверхностные токи на образце отводятся охранным кольцом непосредственно к источ­нику питания, минуя гальванометр. Через гальванометр протека­ет только «объемный» ток, и, следовательно, подсчитанное сопро­тивление будет объемным. Если проводники, идущие от гальвано­метра к точкам c и d поменять местами, то можно определить поверхностное сопротивление.

А)Схема измерений относительно малых сопротивлений.

Б) Схема измерений относительно больших сопротивлений.

Погрешности измерения сопротивлений определяют по мето­дике оценки погрешностей косвенных измерений: для схемы А ; для схемы Б .

2. Трансформаторы, режимы работы, коэффициенты передачи.

Измерительные трансформаторы переменного тока. Измери­тельные трансформаторы тока и напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в от­носительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (например, 5 А, 100 В). Применением измерительных трансфор­маторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземляемую цепь низкого напряжения (см. рис. 5-3).

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолирован­ных друг от друга обмоток: первичной с числом витков W1 и вто­ричной — W2, помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 5-3, а и б). (Для правильного включения трансформаторов и приборов зажимы трансформатора обозначают, как показано на рисунке.)

В трансформаторах тока, как правило, первичный ток i₁ больше вторичного i₂, поэтому у них W1 <W2. В трансформаторах тока с i_1n свыше 500 А первичная обмотка может состоять из одного витка в виде шины, проходящей через окно сердечника.

В трансформаторах напряжения первичное напряжение U 1 больше вторичного U2, поэтому у них W1>W2. Вторичное номинальное напряжение U_2n у стандартных трансформаторов состав­ляет 100 или 100/1,7 В при разных значениях первичного номи­нального напряжения U_1n. По схемам включения в измеряемую цепь и по условию рабо­ты трансформаторы тока и напряжения отличаются друг от дру­га. Первичную обмотку трансформатора тока включают в изме­ряемую цепь последовательно, а трансформаторов напряжения параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов.

По показаниям приборов можно определить значения измеря­емых величин. Для этого необходимо показания приборов умно­жить на коэффициенты Ki и Ки. Для трансформатора тока Ki = I₁/I₂, а для трансформатора напряжения Ки = U1/U2. Коэффи­циенты Кi и Ки называют действительными коэффициентами трансформации.

Измерительные трансформаторы тока. Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым со­противлением. Полное суммарное сопротивление Z = R+jX при­боров и подводящих проводов является нагрузкой трансформато­ра тока.

На рис. 5-4 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, построение которой начато с вектора I2w2 — магнитодвижу­щей силы (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U₂ получен как сумма векторов падений напряжения I₂R и I₂X на активном R и реактивном X сопротивлениях нагрузки при токе I₂ во вторичной цепи трансформатора. Вектор электродвижущей силы E₂, наводимой во вторичной обмотке потоком Фо сердечни­ка, получен в результате сложения вектора U₂ с векторами I2R2 и I2X2 падений напряжения на активном R₂ и реактивном Х₂ со­противлениях вторичной обмотки.

Фазовый сдвиг между вектором МДС I2w2 и вектором МДС I1w1 составляет почти 180°, т. е. МДС I2w2 оказывает размагничи­вающее действие. Вследствие этого магнитный поток Фо в сердеч­нике создается результирующей МДС Iow1. МДС Iow1 состоит из реактивной составляющей I_mW₁, непосредственно создающей по­ток Фо и совпадающей с ним по фазе, и активной составляющей I_aw₁, опережающей Фо на 90°, определяемой потерями на гистере­зис и вихревые токи в сердечнике. Вектор МДС I₁w₁ получен сложением вектора МДС Iow₁ с повернутым на 180° вектором МДС — I₂w₂, т. е. I₁w₁ = l_ow₁ + ( — I₂w₂) или I_ow₁ = I₁W₁ + I₂w₂.

При номинальном режиме работы трансформатора тока МДС Iow₁ обычно составляет не более 1 % от МДС I₁W₁ (или I2w2). При достаточной мощности источника первичного тока размыка­ние вторичной цепи трансформатора тока вызовет значительное увеличение Фо, так как в этом случае Iow₁ = I₁w₁. Размыкание этой цепи — аварийный случай, так как возрастание потока в сердечнике приводит к большому увеличению ЭДС (до несколь­ких сотен вольт), что опасно для обслуживающего персонала и может вызвать электрический пробой изоляции вторичной об­мотки. Кроме того, увеличение потока сопровождается ростом потерь на перемагничивание и вихревые токи, повышением темпе­ратуры сердечника, а следовательно и обмоток, и может служить причиной термического разрушения их изоляции.

Для переносных многопредельных измерительных трансфор­маторов тока установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Их изготовляют на номинальную частоту или область номинальных частот от 25 Гц до 10 кГц. Трансформаторы тока выпускают на номинальные значения первичного тока от 0,1 А до 30 кА и на номинальное значение вторичного тока 5 А. Для частоты 50 Гц допускается изготовление трансформаторов тока на номиналь­ный вторичный ток 1 и 2 А.

Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц дела­ют на номинальные первичные токи от 1 А до 40 кА и номиналь­ные вторичные токи 1, 2, 2,5, 5 А. Классы точности этих трансфор­маторов от 0,2 до 10. Класс точности стационарных трансформа­торов тока определяет предельные значения токовой и угловой погрешностей. В частности, для трансформаторов классов точно­сти от 0,2 до 1 допускаемое значение токовой погрешности, со­ответствующее классу точности, имеет место при значении пер­вичного тока 100—120 % номинального, а для трансформаторов более низких классов точности — при значении первичного тока 50—120 %. При других значениях первичного тока допускаемая токовая погрешность увеличивается.

Трансформаторы тока изготовляют на определенную номи­нальную нагрузку, например, для стационарных трансформато­ров от 2,5 до 100 В-А.

Конструктивное оформление трансформаторов тока различно в зависимости от назначения, рабочего напряжения, класса точ­ности и значения первичного номинального тока.

Измерительные трансформаторы напряжения. Измеритель­ные трансформаторы напряжения работают в режиме, близ­ком к режиму холостого хода, так как во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим внутренним со­противлением.

На рис. 5-5 приведена векторная диаграмма трансформатора напряжения. Для большей наглядности диаграммы полагаем W₁ = W₂ (в действительности W₁>W₂). Это позволяет заменить векторы МДС соответствующими токами.

Последовательность построения векторной диаграммы транс­форматора напряжения от тока I₂ до I₁ включительно такая же, как и трансформатора тока. Векторы напряжения U₂ на вторич­ной обмотке трансформатора (приборах) и ЭДС Е₂ найдем на основании следующих уравнений:

U₂=I₂(R + jX); E₂=U₂ + I₂ (R₂ + jX₂), (5-6)

где R и X — эквивалентные активное и реактивное сопротивления нагрузки (приборов) во вторичной цепи; R₂ и X₁ — активное и реактивное сопротивления вторичной обмотки.

Вектор первичного напряжения U₁= -E2+I1 (R₁+jX₁), где R₁ и Х₁ — активное и реактивное сопротивления первичной об­мотки трансформатора.

Учитывая уравнения (5-6) и значение I₁ = Io — I₂, получим

U₁ = -U₂ + I₀R₁+jI₀X₁-I₂(R₁ + R₂)-jI₂(X₁ + X₂) (5-7)

Из этого выражения следует, что вектор первичного напряже­ния U₁ не равен вектору вторичного напряжения U₂, несмотря на то, что было принято W₁= W2. Следовательно, имеют место погрешности напряжения f_u и угловая δ_и, которые зависят от токов I₂ и I₀ и сопротивлений обмоток трансформатора и нагруз­ки. Наибольшее влияние на погрешности оказывает нагрузка во вторичной цепи трансформатора. Поэтому во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляе­мая мощность не превышала номинальной мощности трансфор­матора.

Стационарные трансформаторы напряжения изготовляют на номинальные первичные напряжения от 220 В до 35 кВ при вто­ричном напряжении 150, 100 и 100/1,7 В для номинальной нагруз­ки от 5 до 25 ВА с cos ф = 0,8-1,0. Лабораторные трансформа­торы чаще всего бывают переносными на несколько пределов измерения. Для трехфазных цепей изготовляют трехфазные трансформаторы напряжения.