Классификация шунтов

Лекция №6
Тема лекции: “Расширение пределов измерительных приборов”
План лекции:
1.Необходимость расширения пределов измерительных приборов
2.Шунты
3.Добавочные сопротивления
4.Измерительные трансформаторы
1.Необходимость расширения пределов измерительных приборов
Современные электроизмерительные приборы изготовляют на токи, не
превышающие сотен ампер, и напряжения не выше сотен вольт. Изоляция
приборов рассчитывается на напряжение не выше нескольких тысяч вольт.
Между тем приходится измерять переменные токи порядка тысяч и
десятков тысяч ампер, напряжения в сотни тысяч и более вольт, мощности в 500
и более мегаватт. Измерительные приборы для непосредственного включения на
такие пределы измерения не изготовляют.
Чтобы измерить большие значения токов, напряжений и других величин
обычными приборами переменного тока, необходимо расширить их пределы
измерения и обеспечить при этом безопасность работы. Для этого
используют
шунты,
добавочные
сопротивления
и
измерительные
трансформаторы.
1)Шунты – используют для расширения пределов измерений по току,
только для магнитоэлектрических механизмов.
Для других измерительных механизмов шунты не применяют, так как
из-за значительного собственного потребления этих механизмов шунты
получаются громоздкими и дорогими.
2)Добавочные сопротивления – используют для расширение пределов
измерений по напряжению.
1
Их
применение
также
ограничено.
Добавочные
сопротивления
применяется только при напряжении до 600—1500 В. При напряжениях больше
указанных, возрастающее собственное потребление вольтметра с добавочным
сопротивлением становится недопустимым.
3)Измерительные трансформаторы – используются как преобразователи
больших переменных токов и напряжений в относительно малые, допустимые для
измерения приборами с небольшими стандартными номиналами (5А, 100В).
Функции измерительных трансформаторов:
·расширение пределов измерений в цепях переменного тока
·обеспечение безопасности измерений при высоком напряжении - они
электрически отделяют и надежно изолируют измерительную цепь от цепи
высокого напряжения.
2.Шунты
Шунт
представляет
собой
сопротивление
3,
параллельно
которому
подключается рамка прибора (рис. 1).
Рис.1 – Схема включения с калиброванным шунтом
Шунты изготовляются из манганина и других материалов и снабжаются
двумя парами зажимов:
·наружные 1 (токовые) – к ним подключают цепь измеряемого тока,
·внутренние 2 (потенциальные) – к ним присоединяют измерительный
механизм.
2
Такое включение устраняет погрешности от контактных сопротивлений.
Сопротивление шунта должно быть рассчитано на ток Iш, равный разности
измеряемого тока I и номинального тока IA рамки прибора, т. е. Iш = I- IA.
Определим сопротивление шунта.
1. I  I ш  I А  I ш  I  I А
2. I ш  I 
(т.к. имеем // соединение двух сопротивлений:
RA
Rш  R А
U I RI 
3.приравняем: I  I А 
R1  R2
R R
R2
U
1
 I1   ( I  1 2 )   I 
R1  R2
R1
R1  R2 R1
R1  R2
I
 RA
Rш  R А
4. ( I  I А )  ( Rш  R A )  I  R A
5. I  Rш  I  R A  I A  Rш  I A  R A  I  R A
6. Rш ( I  I A )  I A  R A
7. Rш 
8. Rш 
I A  RA
I  IA
RA
.
I
1
IA
(:IA)
Пусть
I
 n , где n - коэффициент шунтирования, т. е. I  n  I A
IA
Вывод: амперметром с сопротивлением RA и номинальным током рамки IA надо
измерить ток I, в n раз больший, то амперметр необходимо подключить к шунту с
заданным сопротивлением.
9. Rш 
RA
n 1
Шкалу
амперметра
с
шунтом
градуируют
с
учетом
коэффициента
шунтирования. Обычно этот коэффициент n берут кратным 10.
Классификация шунтов
1)
·внутренние (встроенные внутри корпуса) – их делают на небольшие токи
— до десятков ампер;
3
·наружные (отдельно от прибора) - на токи до 10 000 ампер.
2)Наружные шунты выполняются в виде отдельной детали и соединяются
с прибором специальными проводами. Наружные шунты бывают:
·индивидуальными - для работы только с тем прибором, для которого шунт
изготовлен,
·калиброванными - для работы с любым измерительным прибором, ток
которого мал по сравнению с током шунта и падение напряжения в котором
равно падению напряжения в шунте.
3) По ГОСТ 1845—59 калибровавные шунты изготовляют на 45; 75; 100 и 150
мВ.
4)По точности их делят на пять классов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0.
Число, указывающее класс точности шунта, означает наибольшее допустимое
отклонение (в процентах) сопротивления шунта от его номинального значения.
Например,
у
шунта
класса
точности
0,2
допускаемое
отклонение
сопротивления от номинального значения не больше чем на ±0,2%.
5)Шунты бывают однопредельные и многопредельные.
Многопредельный шунт состоит из нескольких резисторов, переключаемых в
зависимости от предела измерения штепселем или рычажным переключателем.
Чтобы избежать повреждения амперметра, многопредельный шунт переключают без разрыва его цепи.
Шунты преимущественно применяются в цепях постоянного тока, так как при
переменном токе распределение токов в параллельных ветвях зависит от
индуктивности и частоты, что усложняет их применение и сопряжено с
погрешностями.
3. Добавочные сопротивления
Функции добавочных сопротивлений:
·расширяют пределы измерения напряжения
·исключают влияние температуры на сопротивление вольтметра rv.
4
Добавочные сопротивления включаются последовательно с измерительным
механизмом (рис).
Определим величину добавочного сопротивления
1. Закон Ома: I 
U Uv  Uд
, где U  U v  U д  U д  U  U v

R Rv  Rд
2. Подставим: I 
U v  (U  U v )
Rv  Rд
3. I  ( Rv  Rд )  U  I  Rv  I  Rд  U
4. Rд 
U  I  Rv
(делим почленно)
I
5. Rд 
U
 Rv (выносим Rv )
I
6. Rд  Rv  (
U
U
 1)  RV (
 1)
I  Rv
Uv
Пусть
U
m
Uv
7. Тогда Rд  Rv  (m  1)
Рис.4 – Схема включения вольтметра с отдельным добавочным сопротивлением
Классификация добавочных сопротивлений
Добавочные сопротивления изготовляют:
·внутренними или наружными,
·однопредельными или многопредельными,
·индивидуальными или калиброванными.
5
Калиброванные добавочные сопротивления делят на те же классы
точности, что и калиброванные шунты; их изготовляют на токи 0,5; 1,0; 3,0;
5,0; 7,5; 15; 30 и 60 ма.
4. Измерительные трансформаторы
По назначению измерительные трансформаторы подразделяют на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.
По устройству и принципу действия измерительные трансформаторы
аналогичны обычным силовым трансформаторам, однако отличаются от
последних режимом работы, конструктивным оформлением, мощностью и
габаритами.
В основе работы измерительных трансформаторов лежит следующее
физическое явление:
Под действием приложенного напряжения по первичной обмотке протекает
переменный ток, вызывающий в сердечнике переменный магнитный поток,
пронизывающий обе обмотки и индуктирующий в них ЭДС Е1 и Е2.
Индуктированная ЭДС вызывает в приборах, включенных во вторичную
обмотку, токи, соответствующие значениям измеряемых величин.
4.1. Трансформаторы напряжения
1. Назначение
Трансформаторы напряжения понижают измеряемое напряжение в заданное
число раз. Получаемое низкое напряжение, не превышающее обычно 100 В,
подводится к вольтметрам, параллельным цепям ваттметров, счетчиков и других
измерительных приборов.
Используя трансформаторы напряжения, с одной стороны, получаем
возможность применения низковольтных приборов для измерений в цепях
высокого напряжения, а с другой — обеспечиваем безопасность обслуживания
высоковольтных установок.
2.Устройство
6
Устройство трансформатора напряжения аналогично устройству силового
трансформатора.
Трансформатор
напряжения
состоит
из
замкнутого
магнитопровода,
набранного из листовой трансформаторной стали, и двух изолированных
обмоток — первичной и вторичной с числами витков w1 и w2.
Первичная обмотка (высшего напряжения) состоит из большого числа
(тысячи) витков медного тонкого провода (d=0,1 —0,2 мм). С помощью зажимов
А—X она включается через предохранители в исследуемую цепь высокого
напряжения.
Вторичная обмотка (низшего напряжения) состоит из относительно
малого числа (сотни) витков медного провода диаметром 0,8—1 мм. К зажимам
а—х этой обмотки подключаются соединенные параллельно вольтметры и
параллельные цепи других приборов.
3.Особенности работы
Для работы трансформатора напряжения характерно:
·незначительное изменение первичного напряжения
·большое сопротивление вторичной внешней цепи;
Таким образом, он работает в условиях, близких к холостому ходу.
7
4.Классификация трансформаторов напряжения
По роду изоляции трансформаторы напряжения делят на:
·сухие (для напряжений до 3 кВ)
·трансформаторы с заливкой маслом или изолирующей массой (для
напряжения 3 кВ и выше).
Соответственно этому в обозначении типа трансформатора указываются
буквы М (маслонаполненный) или С (сухой): например, НОМ — трансформатор
напряжения однофазный маслонаполненный, НОС — трансформатор напряжения
однофазный сухой.
В трансформаторах с масляной изоляцией сердечник с обмотками помещен в
стальной бак, заполненный трансформаторным маслом; выводы высокого и
низкого напряжения сделаны на верхней крышке бака.
Согласно ГОСТ 1983-67 и 9032-69 трансформаторы напряжения делят на
классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 и 3.
5.Трехфазный трансформатор напряжения
Схема устройства и включения трехфазного трансформатора напряжения
дана на рис. 4-5.
На трех стержнях магнитопровода располагаются три первичные и три вторичные обмотки. Первичные обмотки присоединяются к трехфазной цепи, а к
зажимам вторичных обмоток присоединяются измерительные приборы.
Сказанное выше относительно однофазных трансформаторов относится и к
трехфазным.
8
Для
безопасности
обслуживающего
персонала один зажим вторичной цепи трансформатора и его металлический
корпус всегда заземляются (рис. 4-5).
При отсутствии заземления и повреждений изоляции первичной обмотки
вторичная обмотка и подключенные к ней приборы окажутся под высоким
потенциалом, что недопустимо.
4.2. Трансформаторы тока
1.Назначение
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.
В цепях высокого напряжения при помощи трансформаторов тока
измерительные приборы изолируются от проводов высокого напряжения.
Таким образом, с одной стороны, достигается возможность применения
низковольтных измерительных приборов, с другой стороны, обеспечивается
безопасность обслуживания измерительной установки.
2.Устройство
9
Трансформатор тока состоит из стального магнитопровода и двух
изолированных обмоток (рис.).
Первичная обмотка, имеющая меньшее число витков, с помощью
зажимов, обозначенных буквами Л1 и Л2 (линия), включается последовательно в
цепь, и по ней протекает измеряемый переменный ток (I1).
Вторичная обмотка имеет большее число витков. К зажимам вторичной
обмотки, обозначаемым буквами И1 и И2 (измерительные приборы), подключают
последовательно соединенные обмотки
амперметров и
токовые обмотки
ваттметров, счетчиков, фазометров и т. п.
3.Особенности работы
Принцип работы трансформатора тока тот же, что и трансформатора
напряжения, но в отличие от последнего, он работает в условиях, близких к
короткому замыканию, т.к. сопротивление токовых обмоток измерительных
приборов мало (1-2 Ом).
Кроме того, первичный
ток трансформатора тока не зависит от
сопротивления его вторичной цепи.
4.Классификация трансформаторов тока
1)по роду установок:
·для внутренних установок;
·для наружных установок;
10
·встроенные – устанавливаемые внутри других аппаратов;
3)по роду изоляции:
·с воздушной изоляцией;
·с фарфоровой изоляцией;
·с литой изоляцией;
4)по степени точности —на семь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;
1; 3 и 10.
Число, обозначающее класс точности трансформатора тока, соответствует
допустимому значению относительной (в %) погрешности при I1 = (1…1,2)I1н.
Общие вопросы для измерительных трансформаторов тока и
напряжения
5.Коэффициенты
трансформации
измерительных
трансформаторов
1) Действительный коэффициент трансформации трансформатора
напряжения
(тока)
-
отношение действительного значения первичного
напряжения Ul (тока I1) к действительному значению вторичного напряжения U2
(тока I2):
kU 
U1
U2
kI 
/
I1
.
I2
Зная этот коэффициент и измерив вторичное напряжение (ток)
вольтметром (амперметром), можно определить первичное напряжение (ток):
U1 = k U U2
/
I1=kII2.
2)Однако действительный коэффициент трансформации обычно не известен,
так как он зависит от режима работы трансформатора, т.е. от измеряемого
напряжения, от значения и характера нагрузки и от частоты переменного тока.
Поэтому используют номинальный коэффициент трансформации – он равен
отношению номинального первичного напряжения (тока) к номинальному
вторичному напряжению (току):
k
Uн

U н1
U н2
/
k Iн 
I н1
I н2
11
Номинальный коэффициент трансформации указывается заводом на щитке
трансформатора. Согласно ГОСТ напряжение Uн2=100 В или 100 В/ 3 , ток
Iн2=5А.
Тогда приближенно измеряемое напряжение U1' (ток I1' ) находят по формуле:
U1' = k Uн U 2
/
I 1'  k Iн I 2
6.Погрешности при измерении
напряжения
(тока),
вызванные
применением трансформатора
1)Погрешность по напряжению (току) или погрешность в коэффициенте
трансформации:
2)Угловая погрешность трансформатора напряжения (тока) – вызвана
наличием угла сдвига  между вектором первичного напряжения U1 (тока I1) и
повернутым на 180° вектором вторичного напряжения U2 (тока I2) .
Угловая погрешность выражается в угловых минутах и считается положительной, если вектор вторичного напряжения (тока), повернутый на  (180°),
опережает вектор первичного напряжения (тока). В противном случае она
отрицательна.
Погрешность
по
напряжению
(току)
влияет
на
погрешность
всех
измерительных приборов, включенных через трансформатор тока, а угловая
погрешность — только на фазочувствительные приборы (ваттметры, счетчики,
фазометры).
7.Влияние
на
погрешности
измерительных
трансформаторов
и
принимаемые меры
Для трансформатора напряжения:
12
Погрешности
трансформатора
напряжения
обусловлены
падениями
напряжений в его обмотках, следовательно, те и другие зависят от одних и тех же
факторов:
·сопротивлений обмоток трансформаторов r1, r2, x1, x2;
·значения и характера нагрузки вторичной цепи;
·тока холостого хода;
·величины и фазы тока вторичной цепи;
·первичного напряжения и частоты тока.
Принимаемые меры:
1)Уменьшение активных сопротивлений обмоток достигается применением
проводов сравнительно большого сечения.
Уменьшение реактивных сопротивлений обеспечивается применением
малых значений магнитной индукции (0,6—1 Т); применением лучших сортов
стали, что, кроме того, приводит к уменьшению тока холостого хода и
уменьшению потерь в магнитопроводе.
2)Наибольшая мощность, которую можно получить от трансформатора без
увеличения погрешностей выше допустимых для его класса точности, называется
номинальной полной мощностью трансформатора. Она указана заводом на
щитке трансформатора.
При известном номинальном напряжении трансформатора допустимую
нагрузку его можно характеризовать не только номинальной полной мощностью,
но и номинальным вторичным током или номинальным сопротивлением
вторичной цепи, так как эти величины связаны между собой соотношением:
Sн 
U н22
 I н22  z н 2
z н2
Количество приборов, которое можно подключить к трансформатору
напряжения, определяется их суммарной номинальной полной мощностью,
которая не должна превышать номинальную мощность трансформатора при
номинальном напряжении.
Пример. Можно ли к трансформатору напряжения, поминальная мощность которого 25
В•А подключить:
13
·электромагнитный вольтметр – 6 Вт(ВА);
·параллельную обмотку ферродинамического ваттметра – 6 Вт(ВА);
·параллельную обмотку фазометра -8 Вт(ВА);
·параллельную обмотку индукционного счетчика – 4 Вт(ВА).
Сложив мощности перечисленных приборов, получим нагрузку трансформатора: S = 6 +
6 + 8 + 4 = 24 ВА.
Так как полученная мощность меньше номинальной мощности трансформатора, то
подключение указанных приборов к данному трансформатору допустимо.
Для трансформатора тока:
Погрешности
трансформатора
тока
являются
результатом
намагничивающей силы I0w1. Уменьшение этой силы — вот основное условие
снижения погрешностей.
Намагничивающая сила I0w1 уменьшится, если:
·уменьшить длину магнитопровода (сердечника) и увеличить его сечение.
·увеличить магнитную проницаемость материала сердечника,
·увеличить число витков вторичной и первичной обмоток,
·уменьшить сопротивление вторичной нагрузки,
В этих случаях будет уменьшаться необходимая ЭДС, а следовательно, и
магнитный поток, и общая намагничивающая сила.
Принимаемые меры для уменьшения погрешностей:
1)Увеличение сечения сердечника является наименее рациональным, т.к.
при этом увеличатся габариты трансформатора и его масса.
2)Увеличить магнитную проницаемость материала сердечника можно
при
использовании
материалов
с высокой
магнитной проницаемостью,
например, пермаллоя. Но это заметно удорожает трансформатор, и поэтому на
это идут только в лабораторных трансформаторах высоких классов точности.
3)Наиболее рациональным является увеличение числа витков w1 и w2 и
уменьшение сопротивления вторичной нагрузки:
14
Погрешности
трансформатора
тока
увеличиваются
с
ростом
сопротивления вторичной внешней цепи его. Поэтому для каждого
трансформатора заводом указывается его номинальная вторичная нагрузка в
омах (или номинальная мощность в вольт-амперах).
Номинальной нагрузкой трансформатора тока называется наибольшее
сопротивление, на которое можно замыкать его вторичную обмотку, не
вызывая увеличения погрешностей выше допустимых для соответствующего
класса точности.
Номинальная нагрузка и поминальная мощность трансформатора тока
связаны между собой соотношением:
S н  I н22  z н
Вторичный номинальный ток у трансформаторов тока равен 5 А.
Количество приборов, которое можно присоединить к трансформатору,
определяется суммарным сопротивлением приборов и соединительных проводов,
которое не должно превышать номинальную нагрузку трансформатора.
Пример. Проверить возможность подключения к трансформатору с номинальной
нагрузкой 0,6 Ом электромагнитного амперметра (Ra=0,2 Ом), последовательной обмотки
ферродинамического ваттметра (RобW=0,2 Ом), если соединительные медные провода имеют
длину 20 м и сечение 4 мма.
Сопротивление соединительных проводов:
rс.пр 
 l
S

0,0175  20
 0,09Ом
4
Полное сопротивление вторичной внешней цепи трансформатора тока равно сумме
сопротивлений последовательных обмоток, присоединяемых приборов и соединительных
проводов, т.е:
Z2=0,09+0,2+0,2=0,49 Ом.
Такая нагрузка меньше номинальной для данного трансформатора и поэтому допустима.
15