ГЛАВА ВТОРАЯ
СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
2-1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПРИБОРОВ
Включение измерительных приборов, контролирующих электрические параметры работы первичного оборудования, производится, как правило, через измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Основное условие правильного включения приборов в цепи вторичных обмоток измерительных трансформаторов заключается в том, чтобы направление мощности в приборе соответствовало тому направлению, которое имело бы место при включении прибора непосредственно в первичную цепь. Это требование достигается при соблюдении правильного подвода проводов от зажимов измерительных трансформаторов к соответствующим зажимам приборов в соответствии с заводской схемой и маркировкой зажимов.
По стандарту зажимы первичных и вторичных обмоток измерительных трансформаторов имеют следующие обозначения:
а ) У трансформаторов тока по ГОСТ 7746-55 начало и конец первичной обмотки обозначены метками Л1 и Л2, а начало и конец каждой из вторичных обмоток — метками И1 и И2. Разметка производится таким образом, чтобы при направлении тока в первичной обмотке от Л1 к Л2 вторичный ток проходил во внешней цепи (в приборах) от H1 к Н2.
Встроенные трансформаторы тока без первичной обмотки должны иметь обозначения верха и низа. Концы вторичной обмотки обозначаются марками А, Б, В, Г, Д и т. д. Разметка производится таким образом, чтобы при прохождении первичного тока, направленного от «верха» к «низу», вторичный ток по внешней цепи проходил от вывода А к любому из отводов, маркированных Б, В, Г, Д и т. д.
б ) Выводы трансформаторов напряжения согласно ГОСТ 1983-43 обозначаются так же, как выводы силовых трансформаторов. При этом согласно ГОСТ группа соединения обмоток как однофазных, так и трехфазных трансформаторов напряжения всегда 12-я, т.е. векторы первичного и вторичного напряжения одноименных фаз совпадают по направлению. У однофазных трансформаторов напряжения начало и конец первичной обмотки имеют обозначения А и X, а выводы основной вторичной обмотки — соответственно а и х. Фазные выводы первичной обмотки трехфазных трансформаторов напряжения имеют обозначения А, В и С, нулевой вывод — 0, фазные выводы вторичной обмотки — соответственно а, b и с, нулевой вывод — 0. Выводы начала и конца дополнительной вторичной обмотки трансформаторов напряжения, используемой для фильтра напряжения нулевой последовательности, имеют обозначения ад и хд.
На рис. 2-1,а показано направление тока в измерительном приборе при включении его непосредственно в цепь и во вторичную обмотку трансформатора тока при положительном направлении первичного тока (за положительное принято направление от шин в линию), а также приведена векторная диаграмма токов.
На рис. 2-1,б показаны включение вольтметра в первичной и вторичной цепях трансформатора напряжения и соответствующая векторная диаграмма.
На рис. 2-2 показано включение однофазного ваттметра в первичную и вторичные цепи трансформаторов тока и напряжения. Точками обозначены однополярные зажимы обмоток прибора. При указанных схемах включения прибора и правильной маркировке выводов положительному направлению мощности в первичной цепи будут соответствовать положительная вторичная мощность и положительный момент подвижной системы прибора, при наличии которого стрелка прибора отклоняется вправо.
Направления электрических параметров сети переменного тока играют чрезвычайно важную роль при измерениях. Поэтому на определении направления электрических величин в трехфазной сети следует остановиться несколько подробнее.
Параметры сети переменного тока — ток и напряжение—представляют собой синусоидальные величины и изображаются в виде вращающихся векторов. Вращение векторов принимается против часовой стрелки, а электрическое чередование фаз трехфазной системы — по часовой стрелке.
Если напряжение в сети остается обычно неизменным, то токи, обусловленные этим напряжением, могут иметь различные фазовые углы в зависимости от параметров нагрузки. Вектор полного тока для удобства анализа раскладывается на две составляющие: активную, совпадающую по направлению с направлением вектора напряжения, и реактивную, сдвинутую относительно этого напряжения на 90° По векторной диаграмме токов определяются также величины и направления активных и реактивных мощностей, так как активная и реактивная мощности (Ul cosφ и Ul sinφ) отличаются от соответствующих токов (I cosφ и I sinφ) только масштабом.
Пример размещения токов и напряжений в трехфазной симметричной системе координат и определения направлений активной и реактивной мощностей по векторной диаграмме дан на рис. 2-3.
Очевидно, что направления векторов, токов и напряжений, подведенных к прибору, при измерении мощности играют особую роль, так как мощность зависит от фазового угла. Поэтому следует четко уяснить, что понимать под положительной и отрицательной мощностями. Мощность считается положительной в том случае, когда ее математическое выражение дает положительную величину: для активной мощности P— Ul cos φ при изменении угла φ от —90 до +90°, для реактивной мощности Q=Ul sinφ при изменении φ от 0 до 180° (отсчет угла ведется против часовой стрелки).
При практической оценке положительной считается полная мощность генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку. Вектор тока в этом случае размещается в 1 квадранте (рис. 2-3); активная и реактивная мощности (Р и Q) положительны и направлены от генератора в линию.
Обычно схема прибора для измерения мощности собирается таким образом, чтобы момент подвижной системы был пропорционален величине измеряемой мощности и при положительном направлении подведенной мощности отклонял стрелку прибора вправо.
Соответствующая проверка прибора производится при изготовлении, и однополярные зажимы отмечаются звездочками.
Измерение как активной, так и реактивной мощности может производиться одним и тем же прибором в зависимости от схемы включения его.
Прибор измеряет подведенную к нему вторичную мощность, и момент подвижной системы пропорционален величинам подведенных к прибору тока /пр и напряжения Uпp:
(2-1)
При измерении мощности и энергии трехфазной сети используются приборы с двумя или тремя измерительными системами, соединенными механически общей осью подвижной системы прибора.
Отклонение такого прибора определяется суммарным вращающим моментом всех измерительных элементов. Каждый из измерительных элементов измеряет фиктивную вторичную мощность подведенных к нему тока и напряжения, но суммарный вращающий момент прибора при соответствующей схеме включения его измерительных систем будет пропорционален первичной активной или реактивной мощности.
При рассмотрении схем включения ваттметров и счетчиков принимается ряд допущений, обеспечивающих большую наглядность и облегчающих анализ схем, а именно:
а ) Нагрузка трехфазной сети принимается симметричной, а первичная мощность — положительной.
б ) Предполагается, что первичные и вторичные величины измеряемых электрических параметров не имеют между собой фазового сдвига. Другими словами, первичные и вторичные токи и напряжения на векторной диаграмме имеют соответственно одинаковое расположение и отличаются друг от друга лишь масштабом.
в ) Предполагается, что к приборам подведены вторичные токи и напряжения, которые и рассматриваются на векторных диаграммах и в выражениях моментов, причем для упрощения выкладок коэффициент пропорциональности в выражении для вращающего момента прибора (2-1) принят равным 1, т. е.
г ) Шкалы приборов градуируются с пересчетом к первичной мощности, т. е. с учетом коэффициентов трансформации трансформаторов тока nт и трансформаторов напряжения nн.
2-2. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ АКТИВНЫХ ВАТТМЕТРОВ И СЧЕТЧИКОВ И СПОСОБЫ ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ
Нормальная схема включения двухсистемного активного ваттметра и соответственно активного счетчика для измерения мощности или энергии в симметричной трехфазной трехпроводной системе показана на рис. 2-4,а.
Порядок подвода тока и напряжения к обмоткам может быть сформулирован следующим образом: к началам последовательных обмоток (генераторным концам) каждой системы подводят ток от зажимов И1 трансформаторов тока. К началу параллельной обмотки каждой системы подводят напряжение той фазы, ток которой проходит по соответствующей последовательной обмотке; к концам обеих параллельных обмоток подводится напряжение третьей (свободной) фазы.
Векторная диаграмма токов и напряжений, подводимых к последовательным и параллельным обмоткам, показана на рис. 2-4,б.
Момент, приложенный к первой системе, равен
т. е. сумма моментов первой и второй систем прибора пропорциональна величине активной мощности Р трехфазной системы.
Легко показать, что ряд ошибочных включений не может быть обнаружен по показанию прибора. Действительно, допустим, что к последовательной обмотке первой системы неправильно подведены концы от трансформатора тока, а именно: к началу обмотки — от вывода И2, а к концу обмотки — от И1 (рис. 2-4,в). В этом случае моменты, приложенные к первой и второй системам, соответственно составляют:
Прибор вместо активной измеряет реактивную мощность (с коэффициентом 0,58). Из выражений моментов Μ1 и Μ2 видно, что показание прибора положительное. Поэтому по отклонению стрелки нельзя судить о правильности включения прибора.
Простейший способ проверки правильности включения сводится к следующему: после того как схема собрана, меняется подвод напряжения к началам параллельных обмоток, т. е. к началу обмотки первой системы подводится напряжение фазы С, а к началу обмотки второй системы — напряжение фазы А. Схемы и векторная диаграмма такого включения показаны на рис. 2-5.
Моменты первой и второй систем соответственно пропорциональны:
* Здесь к в дальнейшем Μ1 и Μ2 — соответственно электрические моменты на первом и втором элементах двухэлементного ваттметра; I и U — вторичные токи и напряжения, подведенные к прибору. При включении вместо двухэлементного ваттметра двух однофазных ваттметров схема, векторная диаграмма и выражения моментов остаются неизменными.
Рис. 2-5. Проверка правильности включения ваттметра активной мощности а — схема включения прибора; б — векторная диаграмма токов и напряжений.
Такой результат получится только в том случае, если до. того прибор был подключен правильно. При любом неправильном соединении прибор после пересоединения дает положительное или отрицательное отклонение. Легко, например, убедиться, что при указанном выше неправильном включении трансформатора тока первой системы показание прибора после переключения подводов напряжения к параллельным катушкам будет пропорционально реактивной мощности:
Активная мощность может быть при равномерной нагрузке измерена также однофазным ваттметром по схеме на рис. 2-6. В этом случае показания ваттметра определяются из выражения
Нетрудно видеть, что показания ваттметра, включенного по схеме на рис. 2-6, пропорциональны мощности симметричной трехфазной сети. Преимущество данной схемы заключается в том, что показания прибора не нуждаются во введении поправочного коэффициента.
Рис. 2-6. Измерение активной мощности трехфазной сети однофазным ваттметром.
а — принципиальная схема включения прибора; б — векторная диаграмма токов и напряжений.
