РАЗДЕЛ 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ и релейная защита
Глава I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ
§ 1. Классификация и принцип действия измерительных приборов
Электрические приборы предназначены для измерения величин, характеризующих электрическую энергию.
Приборы должны быть точными, надежными, выдерживать перегрузки и потреблять минимальное количество энергии.
Все приборы состоят из двух основных частей — подвижной и неподвижной, имеют шкалу с определенными соответствующими делениями. Шкала, у которой все деления одинаковые, называется равномерной. Если же деления в начале, а иногда в конце шкалы более сжаты между собой, то шкала будет неравномерной. Показания приборов с равномерными шкалами более точные.
В зависимости от назначения приборов допускаются отклонения, величина которых определяет класс точности прибора. Всего существует восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Эти цифры определяют величину максимально допускаемого отклонения в процентах. Скажем, прибор класса 0,2 допускает погрешность до 0,2% от номинального значения шкалы прибора.
В зависимости от назначения приборы подразделяются на технические, лабораторные и др., которые, в свою очередь, предназначаются для работы в цепях постоянного и переменного тока, для измерения тока, напряжения или других величин. Каждый прибор рассчитывается на определенные пределы измеряемых величин.
Для безошибочного определения области применения приборов на их шкале имеются условные обозначения.
При включении прибора в электрическую цепь измеряемые величины оказывают свое влияние на подвижную часть прибора, и она отклоняется от своего постоянного положения, указывая (обычно с помощью прикрепленной к ней стрелки) действительное значение измеряемой величины, характеризующей электрическую энергию.
По принципу действия все приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, тепловые, индукционные, термоэлектрические, электростатические, вибрационные и др.
Рис. 77. Включение прибора в цепь: а) включение амперметра; б) включение вольтметра.
§ 2. Измерение тока и напряжения
Для измерения тока служат приборы, называемые амперметрами. Амперметры включаются в электрическую цепь последова тельно (рис. 77, а). При этом через прибор протекает весь ток. Если величина тока в цепи больше той, на которую рассчитан прибор, используют добавочные устройства: шунты (в цепях постоянного тока) или трансформаторы (в цепях переменного тока).
Шунт — постоянное по величине сопротивление и должен присоединиться к цепи параллельно амперметру. Измерение тока в цепях переменного тока с помощью трансформаторов тока будет рассмотрено ниже.
Для измерения напряжения применяются вольтметры, которые, в отличие от амперметров, включаются в цепь всегда параллельно (рис. 77, б). Для уменьшения величины тока, проходящего через прибор, применяют дополнительные сопротивления, включаемые последовательно с катушкой прибора. Соединение выполняется внутри корпуса прибора. Для включения вольтметров на напряжение, превышающее 130 номинальное напряжение прибора, применяются трансформаторы напряжения.
Вольтметры конструктивно отличаются от амперметров тем, что имеют катушки с большим сопротивлением, в то время как в амперметрах катушки рассчитываются на малое сопротивление.
§ 3. Измерение сопротивления с помощью амперметра и вольтметра
Для измерения сопротивления с помощью амперметра и вольтметра руководствуются законом Ома, согласно которому сопротивление будет равно
Поэтому, измерив вольтметром напряжение на интересующем нас участке, а амперметром ток и поделив численные значения напряжения на значения тока, получим величину сопротивления на измеряемом участке. При этом могут быть два возможных варианта включения приборов (рис. 78, а, 78, б).
При включении приборов по схеме а амперметр покажет величину тока, проходящего через сопротивление. В то же время в величину напряжения, измеренную вольтметром, будет входить также потеря напряжения в амперметре. Следовательно, этой схемой можно пользоваться лишь тогда, когда измеряемое сопротивление намного больше сопротивления амперметра.
Рис. 78. Измерение сопротивления с помощью амперметра и вольтметра.
Если включить приборы по схеме б, то вольтметр покажет действительное падение напряжения на сопротивлении. Амперметр в этом случае будет показывать величину тока, равную сумме токов в сопротивлении и в вольтметре. Поэтому производить измерения по этой схеме можно лишь тогда, когда измеряемое сопротивление намного меньше сопротивления вольтметра.
§ 4. Измерение сопротивления омметром
Непосредственно измерять сопротивление можно с помощью омметра — электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы, шкала которого отградуирована в омах.
Питание омметров может осуществляться от сухих элементов или аккумуляторов, а также встроенного в прибор генератора и от сети постоянного или переменного тока.
Участок цепи, т. е. сопротивление, которое должно быть замерено, включается последовательно с прибором.
Для проверки исправности прибора до присоединения сопротивления зажимы его соединяют друг с другом. В исправном омметре стрелка должна отклониться с крайнего левого положения в крайнее правое.
Для измерения больших сопротивлений применяют омметр, получающий питание от встроенного в него генератора. Такой прибор называется также мегомметром (рис. 79). Генератор приводится в действие вручную с помощью специальной ручки, смонтированной сбоку прибора. Мегомметр обычно применяется для замера сопротивления изоляции проводов. Одновременно осуществляется проверка электрической прочности изоляции повышенным напряжением, вырабатываемым генератором.
Рис. 79. Мегомметр.
§ 5. Измерение сопротивления заземляющих устройств
Для измерений сопротивления заземляющих устройств существует несколько способов. Наиболее массовое применение получили два из них: с помощью амперметра и вольтметра и с помощью специального мегомметра — измерителя заземлений.
Преимуществом способа амперметра и вольтметра является высокая точность измерения — до сотых долей ома. К недостаткам относится то, что применение этого способа предусматривает наличие трансформатора с напряжением от 12 до 65 в для питания измерительной цепи. Поэтому более предпочтительно для определения сопротивлений заземляющих устройств пользоваться измерителем заземления. Наибольшее распространение получили приборы типа МС-07 или МС-08 (в пластмассовом корпусе).
Рис. 80. Измерение сопротивления заземляющих устройств с помощью измерителя заземления:
1 — подставка; 2 — переносные вспомогательные заземлители.
Прибор имеет три предела измерения: 10 Ом, 100 Ом и 1000 Ом. Кроме самого прибора, для измерения заземляющего устройства необходимо иметь два вспомогательных заземлителя и провода для присоединения к ним прибора.
Измеритель имеет четыре зажима I1, I2, E1 и Е2. К зажимам I и Е1, соединенным перемычкой, подключают измеряемый заземлитель, к 12 — один вспомогательный заземлитель и к Е2 — другой вспомогательный заземлитель. Вспомогательные заземлители должны располагаться с одной стороны от испытуемого заземлителя. Расстояние между заземлителями должно быть не менее 20 м (рис. 80). Этим же прибором можно измерять удельные сопротивления грунтов.
§ 6. Измерительные трансформаторы
Для измерения больших токов и напряжений применяются специальные измерительные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Эти аппараты понижают большие величины тока и напряжения до величин, на которые рассчитаны амперметры и вольтметры (рис. 81).
Ток с помощью трансформаторов тока измеряется следующим образом: первичная обмотка трансформатора включается последовательно в электрическую цепь, в которой производится измерение тока, а вторичная — присоединяется к прибору (амперметру). Вторичная обмотка надежно изолируется от первичной. Напряжение во вторичной обмотке чрезвычайно мало. Ток во вторичной обмотке обычно равен 5 а.
Рис. 81. Измерительные трансформаторы:
а) трансформатор тока. Схема включения в цепь; б) трансформатор напряжения.
В трансформаторах тока первичная обмотка состоит из провода большего сечения с малым чи слом витков, а вторичная — из провода меньшего сечения с большим числом витков.
В трансформаторах напряжения, наоборот, первичная обмотка состоит из большего числа витков, нежели вторичная. Напряжение, на которое рассчитывается вторичная обмотка, обычно составляет 100—110 в, т. е. трансформаторы напряжения представляют собой небольшие понижающие трансформаторы.
§ 7. Измерение тока измерительными клещами
Для измерения тока без разрыва цепи служат специальные электроизмерительные клещи (рис. 82). Применение этих клещей определяется в соответствии с их типом и паспортными данными. Клещи состоят из трансформатора тока, имеющего разъемный магнитопровод (в виде клещей) и электроизмерительного прибора. Первичной обмоткой трансформатора служит проводник с измеряемым током. Вторичная обмотка разделена на две катушки, расположенные на разных половинках магнитопровода и соединенные между собой последовательно. Для охвата провода с измеряемым током магнитопровод нажатием на рычаг размыкается.
Рис. 82. Токоизмерительные клещи для напряжения до 600 в.
Рис. 83. Токоизмерительные клещи для напряжения до 10 кВ.
Клещи имеют переключатель, позволяющий производить переключения пределов измерения по току: 0-10-25-100- 250 а и по напряжению: 0-300- 600 в.
Для измерения напряжения на корпусе имеются штепсель ные гнезда вольтметра, куда вставляется шнур, служащий для присоединения прибора к измеряемой цепи.
На рис. 83 показаны токоизмерительные клещи, рассчитанные для работы при напряжении 10 кВ. Конструктивно эти клещи отличаются главным образом своими размерами, в частности, длиной. Эти клещи не имеют рычага. Размыкание магнитопровода осуществляется с помощью двух ручек-захватов. Работая с клещами, их следует держать в руках на весу.
§ 8. Измерение активной мощности
При активной нагрузке, когда cos φ=1, мощность однофазного тока легко можно определить методом амперметра — вольтметра. Для чего полученные значения тока и напряжения подставляют в формулу
Мощность однофазного переменного тока можно измерить с помощью прибора, называемого ваттметром.
Ваттметры имеют две катушки — токовую неподвижную, состоящую из небольшого числа витков относительно толстой проволоки, включаемую последовательно в цепь, и — напряжения подвижную, состоящую из большого числа витков проволоки малого сечения, включаемую параллельно в цепь.
Катушка напряжения помещается внутри катушки тока и укрепляется на оси. Ваттметр объединяет в себе два прибора — амперметр и вольтметр.
Для расширения пределов измерения используются трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. В этом случае токовая катушка ваттметра присоединяется к вторичной обмотке трансформатора тока, а катушка напряжения прибора включается к зажимам вторичной обмотки трансформатора напряжения.
В зависимости от системы распределения электроэнергии применяются различные схемы измерения мощности. Для сельских сетей характерной системой является четырехпроводная (три фазных провода, один нулевой) с неравномерной нагрузкой по фазам.
Для определения мощности в такой системе измерения можно вести с помощью трех однофазных ваттметров. Общая мощность будет равна сумме мощностей всех фаз, т. е.
Вместо трех однофазных ваттметров удобнее пользоваться одним трехфазным ваттметром, который состоит из трех однофазных измерительных устройств.
§ 9. Измерение энергии
Энергия в цепях переменного тока измеряется с помощью счетчиков, которые по своему конструктивному выполнению подразделяются на однофазные и трехфазные. Счетчики могут включаться в сеть как непосредственно, так и через трансформаторы тока. Для непосредственного включения в сеть напряжением 380 в применяются счетчики на ток от 5 до 20 а.
Рис. 84. Устройство однофазного счетчика.
Для учета энергии однофазных потребителей применяются однофазные счетчики (рис. 84).
Измерение энергии в трехфазных четырехпроводных сетях с неравномерной нагрузкой производится либо тремя однофазными либо одним трехфазным счетчиком.
Трехфазные счетчики по способу включения в сеть могут быть прямого включения и косвенного, так называемые трансформаторные счетчики. Счетчики прямого включения включаются в сеть непосредственно, а трансформаторные присоединяются к сети через измерительные трансформаторы тока (рис. 85).
Промышленность выпускает счетчики следующих типов: СО — счетчик активной энергии, однофазный непосредственного включения или трансформаторный; СОУ — счетчик активной энергии, однофазный трансформаторный универсальный; СА3 и СА4 — счетчики активной энергии непосредственного включения или трансформаторные для измерения в трехпроводных и четырехпроводных цепях трехфазного тока; СР3 и СР4 — то же, реактивной энергии; СА3У, СА4У, СР3У, СР4У — счетчики активной и реактивной энергии, трансформаторные, универсальные для измерения в трехпроводных и четырехпроводных цепях трехфазного тока.
Все основные данные, характеризующие работу счетчика, нанесены в виде надписей на щитке счетного механизма.
§10. Понятие о самопишущих приборах
Самопишущие приборы предназначены не только для измерения, но и для записи измеренных величин. Запись показаний производится специальными чернилами на разграфленной бумаге. Для записи показаний к стрелке прибора крепится перо, в которое подаются чернила из специальной чернильницы, встроенной в прибор. Бумага в приборе располагается на двух валиках. Во время работы прибора бумага перематывается с одного валика на другой. Перемотка бумаги производится небольшим двигателем, вмонтированным в корпус прибора. Двигатель имеет несколько скоростей вращения. Необходимая скорость вращения устанавливается с помощью сменных шестерен.
