книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Результат измерения мощности для схемы, представленной на рис. 12.3, определяется как

Р = С\х/М\ук[кц,

где к/, кц — значения коэффициентов трансформации тока и напря­ жения.

Соответственно относительная погрешность измерения мощности

но с учетом мощности, потребляемой измерительным трансформато­ ром напряжения.

где б, бу и б/ — значения угловых погрешностей ваттметров, транс­ форматора напряжения и трансформатора тока (в минутах); ф — фазовый сдвиг между током и напряжением (знаки в последней форму­ ле соответствуют случаю, представленному на рис. 12.3, б, когда величины 6, бу, 6; и ф имеют положительные значения).

Угловые погрешности измерительных трансформаторов могут осо­ бенно увеличить погрешность измерения при измерениях мощности в цепях с малым соз ф, когда значение 1§ ф возрастает; поэтому в этом случае следует выбирать измерительные трансформаторы, обладающие возможно меньшими угловыми погрешностями.

Измерение реактивной мощности в однофазных цепях не имеет большого практического значения, поэтому однофазные варметры серийно не выпускаются. Реактивную мощность однофазного потреби­ теля при синусоидальных токах и напряжениях можно определить, из­ мерив его активную и полную мощности с помощью ваттметра, ампер­ метра и вольтметра:

12.3.Измерение активной мощности

вцепях трехфазного тока

Для измерения активной мощности в цепях трехфазного тока мож­ но применить однофазные ваттметры, включив их на соответствующие токи и напряжения, или трехфазные ваттметры, объединяющие в од­ ном приборе два или три однофазных измерительных механизма, ко­ торые включаются в трехфазную цепь согласно схемам, аналогичным соответствующим схемам включения однофазных ваттметров.

Рассмотрение схем измерения активной мощности в трехфазных це­ пях удобно начать с простейших принципиальных схем прямого вклю­ чения ваттметров (без измерительных трансформаторов), которые при­ меняются при напряжении до 600 В и токе до 10 А.

Рис. 12.4. Схемы измерения активной мощности в трехфазиой цепи

В четырехпроводной цепи в общем случае несимметрии применя­ ются три однофазных ваттметра, включенных на фазные напряжения и токи (рис. 12.4, а). Значение мощности определяется суммой показа­ ний трех ваттметров:

Р = Р1 + Р2 + Р3.

Дри полной симметрии напряжений, токов и фазовых сдвигов меж­ ду ними можно воспользоваться одним из ваттметров, показание ко­ торого следует умножить на 3. Аналогичные схемы применяются в трехпроводной цепи, когда нагрузка соединена звездой.

Если в трехпроводной цепи нельзя подключиться к нулевой точке или нагрузка соединена треугольником, при полной симметрии токов и напряжений можно использовать схему рис. 12.4, б, в которой резисторы Я1, Я2 и цепь напряжения ваттметра образуют искусствен­ ную нулевую точку. Значения сопротивлений резисторов Я1, Я2 и цепи напряжения ваттметра должны быть одинаковыми. Показа­ ние ваттметра здесь тоже умножается на 3.

В трехпроводной цепи, даже при несимметрии токов и напряжений, можно применить два ваттметра, токовые цепи которых включаются в любые две линии, а цепи напряжения подсоединяются к ним гене­ раторными концами и другими концами — к свободной лкйии (рис. 12.4, в). Учитывая векторную диаграмму (рис. 12.4, г), для мощ­ ности трехфазной цепи имеем

Р = 1]^1г соз фх + {/82/, соз фа = Рг + Р2,

где % и ф2 — разности фаз токов и напряжений ваттметров; Рг и Р2 — показания ваттметров.

Как это видно из векторной диаграммы, в зависимости от характера нагрузки один из углов фх или ф2 может быть больше 90°. В этом слу­ чае указатель соответствующего ваттметра отклонится влево от нуля

казания ваттметров становятся одинаковыми, но с противоположными

знаками: Рг= — \гУ„1п\ Р2 = и. следовательно, Рг + Р 2 = 0.

Таким образом, для определения мощности трехфазной цепи сле­ дует брать алгебраическую сумму показаний ваттметров, и поэтому необходимо строго соблюдать правильное подсоединение генератор­ ных концов цепей ваттметров.

Для расширения диапазонов измерения тока последовательные об­ мотки ваттметров включают через трансформаторы тока.

При измерении мощности в цепях, напряжение которых превышает 600 В, используют трансформаторы тока и напряжения. В трехпровод-

ных цепях применяют схему с двумя ваттметрами (рис. 12.5, с), преи­ мущество которой состоит в использовании только двух трансформа­ торов тока для измерения токов всех трех фаз (см. п. 11.3). Для защиты обслуживающего персонала от высокого напряжения в случае пробоя изоляции измерительных трансформаторов их вторичные обмотки и корпуса необходимо заземлять.

При наличии токов утечки через изоляцию и емкости между лини­ ями и относительно земли следует применять схему с тремя ваттмет­ рами и тремя трансформаторами тока и напряжения (рис. 12.5, б). Результат измерения определяется по сумме показаний всех трех ватт­ метров, так как их цепи напряжения включаются на фазное напряже­ ние (как вторичные, так и первичные обмотки трансформаторов напря­ жения соединены звездой и образуют искусственный нуль).

Погрешности измерений. Погрешность измерения активной мощ­ ности в цепях трехфазного тока, как и в однофазных цепях, включает в себя погрешности ваттметров, погрешности коэффициентов трансфор­ мации измерительных трансформаторов, угловую погрешность и по­ грешность метода, которая возникает из-за потребления энергии изме­ рительными приборами.

При использовании для измерения одного ваттметра, включенного на фазный ток и фазное напряжение, когда результат измерения полу­ чают, умножив показание ваттметра на 3, погрешность измерения опре­ деляется аналогично, как и в случае измерения однофазной мощности. Однако здесь может прибавиться погрешность от несимметрии (%):

где Рф{ — мощность фазы, в которую включен ваттметр; Рф1 + Рф2 4- + Р фз — суммарная мощность всех трех фаз.

В общем случае, когда результат измерения определяется алгебра­ ической суммой показаний двух или трех ваттметров (рис. 12.4, а и в, 12.5), для определения относительного значения погрешности изме­ рения мощности необходимо определить абсолютные погрешности измерения мощности каждым ваттметром (как для однофазной мощ­ ности) и их сумму разделить на результат измерения. При определении относительного значения погрешности метода для каждой из схем, представленных на рис. 12.4 и 12.5, необходимо определить мощность, которую потребляют вольтметры и цепи напряжения ваттметров, и разделить ее на результат измерения. При необходимости погреш­ ность метода можно уменьшить, если из результата измерения вычесть сумму мощностей, которые потребляют вольтметры и цепи напряжения ваттметров (мощностью, потребляемой трансформаторами напряжения,

зового угла ф между током и напряжением, на которые включен этот ваттметр. Это значение ф можно определить по показаниям ваттмет­

Таким образом, для определения значения реактивной мощности трехфазной цепи сумму показаний ваттметров надо умножить на ]/3:

<г-(Р1+р,)Уз-

При полной симметрии, когда линейные токи сдвинуты по фазе по

Отсюда видно, что даже при полной симметрии показания ваттмет­ ров в зависимости от угла ф могут иметь одинаковые (при ф = ± 30...

...±90°) или разные знаки (при ф = 0...±30°); поэтому для получе­ ния результата измерения надо всегда брать алгебраическую сумму показаний.

Если измеряемый ток превышает номинальное значение тока ватт­ метров, их токовые обмотки включают через измерительные трансфор­ маторы тока, а если напряжение превышает 600 В, применяют измери­ тельные трансформаторы тока и напряжения.

Погрешности измерений реактивной мощности имеют те же состав­ ляющие, что и при измерении активной мощности, и для их оценки можно использовать аналогичную методику. Имеются здесь и некото­ рые особенности. Так, при использовании схем рис. 12.6 погрешность метода практически отсутствует, так как вольтметры и обмотки на­ пряжения ваттметров потребляют только активную мощность, кото­ рая не влияет на показания ваттметров.

12.5. Измерение энергии

Для измерения и учета энергии постоянного тока применяются

электродинамические и ферродинамические счетчики электрической энергии. В отдельных случаях, когда основным показателем техноло­ гического процесса является количество потребленных ампер-часов или вольт-часов (в гальванических ваннах, при зарядке аккумулято­ ров и т. п.), применяют счетчики ампер-часов или вольт-часов.

В цепях переменного тока промышленной частоты измерение и учет электроэнергии осуществляются главным образом с помощью индукционных счетчиков электрической энергии. Для учета электри­ ческой энергии на электротранспорте применяются электронные счет­ чики. При измерении энергии сравнительно мощных потребителей счетчики включаются через измерительные трансформаторы тока, а при высоком напряжении — через трансформаторы тока и напряже­ ния (рис. 12.7).

Измерение и учет активной и реактивной энергии трехфазного пе­ ременного тока осуществляются с помощью трехфазных индукцион­ ных, а также электронных счетчиков.

При использовании трансформаторов тока и напряжения для расширения диапазонов измерения тока и напряжения счетчиков энергии переменного тока пользуются теми же правилами, что и при включении ваттметров. Схема одновременного включения трехфазных

счетчиков активной и реактивной энергии в цепь высокого напряжения (II > 600 В) показана на рис. 12.7, б. В этой схеме, как и в схеме рис. 12.5, а, для измерения трех линейных токов применяются только два трансформатора тока. Для защиты обслуживающего персонала от высокого напряжения вторичные обмотки и корпуса измерительных трансформаторов должны быть обязательно заземлены.

В настоящее время все более широкое применение в энергосистемах находят информационно-измерительные системы (ИИСЭ), которые на­ ряду с учетом потребляемой электроэнергии дают возможность осу­ ществлять измерение и контроль ряда параметров, характеризующих процесс электроснабжения. Так, система ИИСЭ2 позволяет осущест­ влять: сбор, обработку и накопление нарастающим итогом информации о потребляемой электроэнергии (активной, реактивной) по отдельным цехам, агрегатам в течение расчетного периода времени (по сменам, суткам, месяцам, кварталам); определение среднего за заданный про­ межуток времени (час, полчаса, минуту) значения активной и реактив­ ной мощностей и отдельно — в часы максимума и минимума нагрузки энергосистемы; прогнозирование потребления мощности и сигнализа­ цию превышения заданной потребляемой мощности; вывод информации в коде для ее регистрации, а также передачи в АСУ предприятия или энергосистемы и т. п.

В качестве первичных датчиков в ИИСЭ используются электронные (типа Ф441) или индукционные трехфазные счетчики активной и рвак*, тивной энергии с телеметрическими датчиками импульсов. Число пер.

а для симметричной трехфазной (см. рис. 12.4)

С05* = ~ й Щ '~ У&1ГЛ1Л ’

где Р, Ц, (/ф> I I /, /ф, 1„ —• измеренные значения мощности, напря­ жений и токов. Погрешность измерения соз <р состоит из погрешностей измерения мощности, напряжения и тока.

В симметричной трехпроводной трехфазной цепи значение соз<р уожно также определить по показаниям двух ваттметров, включенных по схеме рис. 12.4, в. Действительно,

Коэффициент мощности X в несимметричной трехфазной цепи мож­ но определить, измерив активную Р и реактивную (} мощности:

Значение %характеризует режим работы цепи только в момент вы­ полнения измерений. Для контроля режима эксплуатации промышлен­ ных энергосистем, которым свойственны переменные нагрузки, важ­ ную роль играет среднее значение коэффициента мощности за опреде­ ленный интервал времени (например, за сутки, декаду, месяц). Его можно определить из отношения показаний счетчиков активной и реактивной энергии:

%с р У.

У К + К

где №а, ЦРр — значения активной и реактивной энергий за определен­ ный промежуток времени.

Для визуального наблюдения угла сдвига фаз между токами или напряжениями (в том числе несинусоидальными) можно использовать электромеханические или электронные осциллографы. Электромехани­ ческие осциллографы можно применять для частот до 20 кГц, электрон­ ные— до сотен мегагерц.

Определение угла сдвига фаз с помощью электронных осциллогра­ фов возможно двумя способами: с помощью осциллограмм исследуе­ мых процессов и фигур Лиссажу. В первом случае используют много­ лучевой осциллограф (или однолучевой, если на вход канала вертикаль­ ного отклонения подавать поочередно сравниваемые напряжения через электронный коммутатор). Измерив на осциллограмме (рис. 12.8, а) длины отрезков I и Ь, определяют угол сдвига фаз <р =

■= -у- 360°. Погрешность измерения «р таким способом составляет от 3

до 10%.

Для определения угла сдвига фаз с помощью фигур Лиссажу ис­ следуемые напряжения иг — [/т1 зш ш/ и и2 = Упа зш (во* + <р) пода-