Измерительные трансформаторы
В технике больших токов и высоких напряжений измерения электрических величин производят только через измерительные трансформаторы — трансформаторы тока и трансформаторы напряжения, так как непосредственные измерения с помощью шунтов и добавочных резисторов весьма затруднительны. Так, наибольший ток, который еще можно измерить путем непосредственного включения прибора, составляет 600 А, а напряжение — 2000 В. К тому же шунты и добавочные сопротивления получаются громоздкими и дорогими, а прикосновение к таким приборам в сетях высокого напряжения опасно для жизни.
Трансформатор тока состоит из сердечника и двух обмоток — первичной и вторичной (рис. 1).
Рисунок 1
Первичную обмотку, которая содержит небольшое количество витков, включают последовательно с нагрузкой, в цепи которой необходимо измерить ток, а к вторичной обмотке, с большим числом витков, подключают амперметр. Так как сопротивление амперметра мало, то можно считать, что трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания, при котором суммарный магнитный поток равен разности потоков, созданных первичной и вторичной обмотками.
Измеряемый ток, протекая по первичной обмотке с низким сопротивлением, создает на ней весьма небольшое падение напряжения, которое трансформируется во вторичную обмотку. Поскольку число витков вторичной обмотки значительно больше, чем у первичной, то на ней получается значительно большее напряжение при меньшем токе.
Трансформатор тока применяют не только для определения силы тока, но и для включения токовых обмоток ваттметров и некоторых других приборов. Выводы обмоток трансформатора тока маркируют следующим образом: первичная обмотка — Л1 и Л2
(линия), вторичная — И1, и И2 (измеритель). На рис. 1 также изображено схематическое обозначение трансформатора тока.
Один и тот же трансформатор тока можно использовать для одновременного включения нескольких измерительных приборов (рис. 2), однако желательно, чтобы их было не больше двух. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа приборов их общее сопротивление возрастает, и режим работы трансформатора тока все более отходит от режима короткого замыкания (уменьшается ток вторичной обмотки).
Рисунок 2
Трансформатор тока не только расширяет пределы измерения приборов, но и гальванически отделяет вторичную цепь от первичной, изолируя тем самым прибор от высоких напряжений сети. Поэтому измерительные приборы монтируют обычным способом на распределительных щитах. При этом для безопасности один вывод вторичной обмотки заземляют для того, чтобы при пробое изоляции между обмотками провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю. Трансформаторы тока изготавливают таким образом, чтобы номинальный ток вторичной обмотки составлял 5 А.
Вторичную обмотку работающего трансформатора тока нельзя размыкать и оставлять разомкнутой. Она всегда должна быть замкнута на прибор или закорочена. Это следует делать потому, что при разомкнутой вторичной обмотке магнитный поток в сердечнике обусловлен лишь большим первичным током, а не разностью потоков первичного и вторичного токов. Этот большой магнитный поток создаст на вторичной обмотке высокое напряжение, опасное для жизни. Кроме того, большой магнитный поток может вызвать перегрев сердечника.
Конструктивно трансформаторы тока выполняют по-разному. Все они, как правило, имеют несколько коэффициентов трансформации. Наиболее удобный переносной трансформатор тока — измерительные клещи.
Это трансформатор с разъемным сердечником, смонтированный в одном корпусе с амперметром. При нажатии на рукоятку сердечник размыкается и им обхватывается провод с измеряемым током. После отпускания рукоятки специальная пружина плотно замыкает сердечник, и амперметр показывает силу тока в проводе. В данном случае провод с измеряемым током выступает в роли первичной обмотки.
Измерительные клещи очень удобны, так как позволяют измерять ток в любом месте линии без разрыва провода, хотя точность таких измерений невысока.
Трансформатор напряжения состоит из сердечника и двух обмоток — первичной и вторичной (рис. 3).
Рисунок 3
Первичная обмотка содержит значительно больше витков, чем вторичная. На первичную обмотку подается измеряемое напряжение U1, а к вторичной обмотке подсоединяется вольтметр. Поскольку сопротивление вольтметра велико, то по вторичной обмотке течет небольшой ток, и можно считать, что трансформатор напряжения работает в режиме холостого хода, т. е. изменения вторичного напряжения пропорциональны изменениям первичного при постоянном коэффициенте трансформации. Фаза вторичного напряжения противоположна фазе первичного. Выводы трансформатора напряжения обозначают следующим образом: выводы первичной обмотки — А, X, выводы вторичной — а, х. Все трансформаторы напряжения изготавливают таким образом, чтобы номинальное напряжение вторичной обмотки было равно 100 В.
В целях безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения обязательно заземляют для того, чтобы при пробое изоляции между обмотками провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю. Конструктивно трансформаторы напряжения очень похожи на маломощные силовые трансформаторы.
