Зеркало

1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
Поверка измерительных трансформаторов тока
1. Введение
Измерительные
трансформаторы
тока
(ИТТ)
относятся
к
измерительным
преобразователям, предназначенным для преобразования обычно больших переменных токов в
меньшие, удобные для измерения, а также для разделения измерительных цепей низкого и
цепей высокого напряжения, что обеспечивает безопасность работы оператора. Нагрузкой
вторичной цепи ИТТ является сопротивление приборов и соединительных проводов,
включенных во вторичную цепь (амперметры, последовательные обмотки ваттметров и
счетчиков электрической энергии, цепи релейной защиты и управления).
Основными конструктивными частями ИТТ являются сердечник из магнитомягкого
материала с высокой магнитной проницаемостью, образующий магнитопровод, и две обмотки
(первичная w1 и вторичная w2). Ток I1, протекающий по первичной обмотке, создает в
сердечнике магнитный поток, который наводит э.д.с. в обеих обмотках. В замкнутой на
сопротивление нагрузки вторичной обмотке возникает ток I2, который в свою очередь создает
магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку, создаваемому током I1.
Разностный магнитный поток обеспечивает трансформацию тока и компенсацию активных
потерь в сердечнике, в обмотках и нагрузке. Таким образом, основное уравнение ИТТ,
определяемое балансом магнитодвижущих сил, можно выразить равенством w111+w212 = w11 ,
где 1 – намагничивающий ток сердечника.
Графическое обозначение ИТТ и электрическая схема его включения приведены на рис.
1а. Зажимы первичной обмотки обозначаются буквами Л1 – Л2 (линия). В цепь измеряемого
тока (линию) первичная обмотка включается последовательно. К зажимам вторичной обмотки,
которые обозначены буквами И1 – И2 (измерение) подключается нагрузка ZН.
Целью настоящей работы является ознакомление с метрологическими характеристиками
и методикой поверки ИТТ.
2. Основные характеристики ИТТ
По назначению и исполнению ИТТ делятся на лабораторные (переносные) и
стационарные.
Важнейшими
техническими
характеристиками
ИТТ
являются:
номинальный
коэффициент трансформации; нагрузка вторичной цепи в омах; погрешности трансформатора
(токовая и угловая).
Номинальным
коэффициентом
трансформации
KI,ном
называется
отношение
номинального первичного тока I1,ном к номинальному вторичному току I2,ном, то есть KI,ном =
I1,ном
/ I2,ном. Номинальными первичным и вторичным токами называются значения
2
соответственно первичного и вторичного токов, указанные на щитке ИТТ. Номинальный
коэффициент трансформации указывается в виде несокращённого отношения номинальных
токов.
Значение измеряемого тока I1,изм, протекающего в первичной обмотке ИТТ, находится
умножением значения измеренного тока во вторичной обмотке I2,изм на номинальный
коэффициент трансформации KI,ном, т.е. I1,изм = KI,номI2,изм
Лабораторные ИТТ предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой от
25 Гц до 10 кГц. Номинальные значения первичных и вторичных токов нормированы. Диапазон
I1,ном составляет от 0,1 А до 60 кА. Для вторичных токов установлены номинальные значения 5,
2 и I А. Последние два значения используются редко. Стационарные ИТТ рассчитаны для
работы в цепях с частотой 50 Гц, а по диапазону токов близки к лабораторным.
Отношение действительного значения первичного тока II,д к действительному значению
вторичного тока I2,д называется действительным коэффициентом трансформации KI,д = I1,д /
I2,д.
В идеальных трансформаторах вектор w111 и повернутый на 180о вектор w212 равны по
модулю и совпадают по фазе. В реальных трансформаторах (как об этом было сказано выше)
эти векторы не равны друг другу, а их неравенство приводит к возникновению погрешностей
ИТТ (см. рис.1б).
Погрешность ИТТ принято выражать в комплексной форме в следующем виде (вывод
приведен в приложении)
I 
где
fI

 K I ,ном I 2 ,д  I 1 ,д
I 1 ,д
K I ,ном I 2 ,д  I 1 ,д
I 1 ,д
= fI + j,
- токовая погрешность, выраженная в относительных единицах;
 - угловая погрешность, выраженная в радианах.
Угловая погрешность характеризует угол фазового сдвиг вторичного тока относительно
первичного. Она положительна, если повернутый на 1800 вектор тока вторичной обмотки
опережает вектор тока первичной обмотки, и отрицательна, если он отстает. Погрешности
измерительных трансформаторов зависят от значений первичного тока и от сопротивления
нагрузки во вторичной цепи.
Класс точности ИТТ определяет пределы допускаемых погрешностей: коэффициента
трансформации и угловой.
3. Поверка трансформаторов тока
Поверка ИТТ классов 0.2; 0.5; 1.0 производят дифференциальным методом. Этот метод
3
заключается в сравнении поверяемого ИТТ с образцовым, пределы погрешностей которого
известны и меньше в 3 –5 раз погрешностей поверяемого.
Принцип дифференциального метода поверки можно пояснить с помощью сxeмы,
приведенной на рис.2a. При поверке необходимо, чтобы поверяемый трансформатор ИТТп и
образцовый ИТТо имели равные номинальные коэффициенты трaнсформации.
Первичные обмотки сравниваемых трансформаторов соединяются последовательно и
согласно, а вторичные – встречно по отношению к дифференциальной ветви «аб», образуемой
сопротивлением Rо. В этой ветви протекает разность вторичных токов поверяемого и
образцового трансформаторов
I = I2,д.,п - I2,д,о.
На рис.2б приведена векторная диаграмма токов. Процедура поверки сводится к
измерению составляющей разностного тока
I f , совпадающей
с током I2,д,о, и составляющей разностного тока
90о. Первая составляющая
I
f
или противоположной по фазе
I , сдвинутой по отношению к току I2,д,о
на
определяет токовую погрешность, а вторая составляющая
I  - угловую погрешность.
Действительно, в силу малости угла  модуль
I2,д,о и I 2,д,п, т.е.
I f = I2,д,п - I2,д,о
I
f
и, следовательно, fI,% =
равен разности модулей векторов
I f
I 2 ,д ,о
100% .
Угол , т.е. токовая погрешность, находится через tg. В соответствии с рис.2б
tg=  I/ I2,д,о  .
В
лабораторной
работе
дифференциальный
метод
используется
для
поверки
испытуемого ИТТп с применением образцового ИТТо типа МТТ-1 класса 0,2. Оба ИТТ имеют
KI,ном = I1,ном / I2,ном =3 А/5 А.
Обычно ИТТ высокого класса точности имеет тороидальный сердечник из пермаллоя, на
который равномерно намотана вторичная обмотка. На вторичную обмотку намотана
секционированная первичная обмотка. Концы секций выведены к пластинам штепсельного
коммутатора или клеммам, при помощи которых в первичную цепь тока можно включать
различное количество секций в зависимости от номинальной величины первичного тока.
Конструктивно трансформатор выполнен так, что при всех номинальных значениях первичного
тока витки первичной обмотки располагаются по тороидальному сердечнику равномерно, а
число номинальных первичных ампервитков постоянно.
Погрешности ИТТ такой конструкции практически остаются неизменными при любом
коэффициенте трансформации. Поэтому достаточно определить погрешности для одного
коэффициента трансформации. Особенно удобно проводить поверку для коэффициента
4
трансформации КI,ном =1 (т.е. 5А/5А), так как в этом случае не требуется использовать
образцовый трансформатор.
Схема поверки приведена на рис.3а. При таком включении осуществляется самоповерка
ИТТ, так как ток вторичной обмотки сравнивается с током, протекающим по первичной
обмотке. В соответствии с векторной диаграммой токов имеем (рис. 3б)
fI,% =
I f
I изм
100% ;  
I 
I изм
[рад]
В обеих схемах – рис. 2а и рис 3а – определение погрешностей fI, и  сводится к
измерению напряжения на резисторе Ro. Для измерения составляющих этого напряжения Rо
I
f
и Rо
I 
в работе используется фазочувствительный выпрямитель и вольтметр
постоянного напряжения. Схема фазочувствительного выпрямителя (ФВ) приведена на рис. 4а.
На вход ФВ подается измеряемое напряжение. Состояние ключей S1 и S2 задается управляющим
напряжением Uу той же частоты. В один из полупериодов Uу ключ S1 замкнут, а S2 - разомкнут.
В другой полупериод Uу состояние ключей обратное.
Рассмотрим работу ФВ.
1. Пусть uвх(t)=Um Sin(wt) и uу(t)=Uу,m Sin(wt) (см. рис.4б). Тогда средневыпрямленное
значение выходного напряжения ФВ определяется как
Uср.в =Um Cos / =U
2 Cos / ,
т.е. оно пропорционально составляющей вектора Uвх , совпадающей по фазе с вектором Uу (см.
рис. 4в).
2. Пусть uвх(t)=Um Sin(wt) и uу(t)=Uу,m Cos(wt). Тогда,
Uср.в =Um Sin / =U
2 Sin / ,
т.е. оно пропорционально квадратурной составляющей вектора Uвх (см. рис. 4в).
В схемах поверки ИТТ для формирования управляющих сигналов ФВ используется ток,
с которым сравнивается вторичный ток поверяемого трансформатора (см. схемы установок рис.
5 и рис. 6).
Задание
1. Ознакомиться с приборами, имеющимися на стенде и внести в отчет их паспортные
данные.
2. Произвести размагничивание ИТТ.
3. Определить токовую и угловую погрешности ИТТ, при токах 5, 4, 3, 2, 1 А. Опыт ИТТ
производить вначале при уменьшении тока от 5 до 1 А и затем при увеличении до 5 А. В
5
качестве результата брать среднее по каждой паре измерений.
4. На основании проведенных экспериментов построить графики зависимостей: fI = FI(I2)
и  =F (I2).
5. Сделать заключение о соответствии поверенного образцового ИТТ своему классу
точности (для стендов №1 и №14).
6. Сделать заключение о присвоении поверенному ИТТ класса точности (стенд №13).
7. Рассчитать погрешности измерения первичных токов с учетом результатов поверки.
Методические указания
1. Лабораторные работы расположены на трех стендах. На стендах № 1 и № 14
производится самоповерка трансформаторов ИТТ типа И54, а на стенде № 13 поверка ИТТ
трансформатора путем сравнения его с образцовым трансформатором типа МТТ-1.
2. Процедура размагничивания осуществляется следующим образом. Перед включением
сетевого напряжения ручка регулятора напряжения однофазного (РНО) должна быть
повернута против часовой стрелки до упора. После включения сетевого напряжения плавно
увеличить напряжение
до достижения вторичным током значения 5 А и также плавно
уменьшить его до нулевого значения (повторить это 2-3 раза).
3. Установить ток I2=5 А. Измерить составляющие напряжения Rо
I
f
и Rо
I  . Для
этого цифровым вольтметром Щ4316 измеряется выходное напряжение ФВ при управляющих
напряжениях,
обеспечивающих
измерение
этих
производится в положении «fI» тумблера, а Rо
I 
составляющих.
Измерение
Rо I f
– в положении «». Повторить эти
измерения для всех других значений I2.
Рассчитать
I f
и
I 
и соответствующие погрешности, используя приведенные
соотношения для ФВ.
4. Рассчитать для каждого значения тока fI в %, а  в угловых минутах.
5. Погрешности образцового трансформатора должны соответствовать установленным
пределам погрешностей (см. приложение 2).
6. Погрешности поверяемого трансформатора определяется собственными погрешностями
и погрешностями используемого образцового трансформатора.
7. При расчете погрешностей измерения первичного тока следует учитывать погрешности
используемого ИТТ и погрешности амперметра.
6
Приложение 1
Комплексная погрешность ИТТ определяется выражением
I 
Здесь вектор
 K I ,ном I 2 ,д - это вектор K I ,ном I 2 ,д
(или отстает) от вектора
Следовательно,
порядка ej 1 j, то

 K I ,ном I 2 ,д  I 1 ,д
I 1 ,д
K I ,ном I 2 ,д  I 1
I1
на угол , поэтому
I 1 ,д

повернутый на 180о, который опережает
K I ,ном I 2 = KI,номI2 e j.
K I ,ном I 2 e  j  I 1
I 
.
I1
I 
.
Так как c точностью до малых второго
K I ,ном I 2 ,д ( 1  j )  I 1
K I  I  jK1,ном
  I ,ном 2 ,д 1
I1
I1
jK1,ном I 2 ,д
I1
= fI  j (с учетом того, что KI,ном I2,д /I1  1 ).
Приложение 2
1. Пределы допускаемых погрешностей лабораторных трансформаторов тока класса 0,2
определяются следующими зависимостями
fI,доп =  [ 0,2 + 0,04 (II,ном /I1 – 1)], [%];
 =  [ 10 + 1 (II,ном /I1 – 1)], [угловые минуты].
2. Пределы допускаемых погрешностей стационарных ИТТ приведены в таблице
Предел допускаемой погрешности
Ток первичной цепи,
Класс точности
% от номинального
Нагрузка вторичной
цепи, %
Токовой, [%]
Угловой, [угл. мин.]
от номинальной при
cos = 0,8
0,5
1,0
5
20
100 - 120
1,5
0,75
0,5
90
45
30
25 –100
5
20
100 - 120
3
1,5
1
180
90
60
25 - 100
7
УДК
621.317
С
УДК: 621.317
Утверждено учебным управлением МЭИ (ТУ)
Рецензент: канд. техн. наук, доцент Солодов Ю. С.
Подготовлено на кафедре информационно-измерительной техники
В.Ф.Семенов., Н.А.Серов, Е.Н. Шведов. Поверка измерительных трансформаторов тока.
Методическое руководство к лабораторной работе № 2 по курсу «Метрология, стандартизация
и сертификация».- М.: Изд-во МЭИ, 2005. -- с. 8.
8
Московский
энергетический институт, 2005
с