Lekcja 4. Przekładniki pomiarowe i sprawdzanie torów pomiarowych

Wstęp

W tej lekcji omówiono podstawowe zagadnienia związane z przekładnikami pomiarowymi oraz sprawdzaniem torów pomiarowych w instalacjach i układach elektroenergetycznych.

W praktyce elektrycznej nie zawsze można bezpośrednio podłączyć miernik do badanego obwodu. W obwodach o dużych prądach albo wysokich napięciach stosuje się przekładniki pomiarowe, które przekształcają mierzoną wielkość do wartości bezpiecznej i dogodnej dla aparatury pomiarowej, liczników, analizatorów lub zabezpieczeń. Przekładniki pomiarowe są stosowane między innymi z amperomierzami, woltomierzami, watomierzami, licznikami energii i przekaźnikami zabezpieczeniowymi. Do najczęściej spotykanych przekładników należą:

• przekładniki prądowe,
• przekładniki napięciowe,
• przekładniki kombinowane, łączące funkcję przekładnika prądowego i napięciowego w jednej konstrukcji,
• czujniki prądowe lub napięciowe stosowane w nowoczesnych układach pomiarowych.

W tej lekcji skupimy się przede wszystkim na przekładnikach prądowych i napięciowych oraz na sprawdzaniu toru pomiarowego, czyli drogi sygnału od obwodu pierwotnego przez przekładnik, przewody wtórne, zaciski, listwy kontrolne i przyrząd pomiarowy.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia, do czego służą przekładniki pomiarowe,
• rozróżnia przekładnik prądowy i przekładnik napięciowy,
• wyjaśnia pojęcie przekładni przekładnika,
• odczytuje podstawowe dane z oznaczenia przekładnika,
• wyjaśnia znaczenie klasy dokładności,
• opisuje znaczenie obciążenia strony wtórnej przekładnika,
• wskazuje podstawowe elementy toru pomiarowego,
• wyjaśnia znaczenie biegunowości i poprawnego kierunku podłączenia,
• opisuje zagrożenia związane z rozwarciem obwodu wtórnego przekładnika prądowego,
• zapisuje wyniki sprawdzenia toru pomiarowego w tabeli lub protokole.

1. Czym są przekładniki pomiarowe?

Przekładnik pomiarowy jest urządzeniem, które przekształca wartość prądu albo napięcia w obwodzie pierwotnym na wartość dogodną do pomiaru po stronie wtórnej. Dzięki temu można bezpiecznie zasilać przyrządy pomiarowe, liczniki energii, analizatory parametrów sieci oraz układy zabezpieczeniowe.

Rysunek 1. Przykłady przekładników pomiarowych stosowanych w układach pomiarowych i zabezpieczeniowych.

Przekładnik pełni dwie podstawowe funkcje:

• przekształca wartość mierzonej wielkości do poziomu odpowiedniego dla przyrządu,
• zapewnia separację między obwodem mocy a obwodem pomiarowym.

Przykładowo, zamiast doprowadzać do licznika bardzo duży prąd z toru głównego, stosuje się przekładnik prądowy, który po stronie wtórnej daje mniejszy prąd proporcjonalny do prądu pierwotnego. Podobnie przekładnik napięciowy obniża wysokie napięcie do wartości dogodnej dla układu pomiarowego.

W praktyce przekładniki pomiarowe stosuje się między innymi:

• w rozdzielnicach niskiego i średniego napięcia,
• w układach pomiaru energii elektrycznej,
• w układach automatyki zabezpieczeniowej,
• w analizatorach jakości energii,
• w układach monitorowania obciążenia,
• w torach pomiarowych prądu i napięcia,
• w instalacjach przemysłowych i elektroenergetycznych.

Przekładnik nie jest więc zwykłym „elementem pomocniczym”. Od jego poprawnego doboru, podłączenia i sprawdzenia zależy wiarygodność całego toru pomiarowego.

2. Przekładnik prądowy

Przekładnik prądowy służy do przekształcania prądu pierwotnego na mniejszy prąd wtórny, proporcjonalny do prądu płynącego w obwodzie głównym. W typowych układach pomiarowych po stronie wtórnej często spotyka się prąd znamionowy 5 A albo 1 A. Przekładniki prądowe są stosowane wtedy, gdy prąd w obwodzie jest zbyt duży, aby można było go bezpośrednio doprowadzić do miernika lub licznika.

Przekładnik prądowy ma stronę pierwotną i wtórną. Stroną pierwotną może być:

• uzwojenie pierwotne,
• szyna prądowa,
• przewód przeprowadzony przez otwór przekładnika,
• tor główny rozdzielnicy.

Strona wtórna jest podłączana do przyrządu pomiarowego, licznika, analizatora albo układu zabezpieczeniowego.

Rysunek 2. Uproszczona zasada działania przekładnika prądowego. Prąd pierwotny płynący w torze głównym powoduje przepływ proporcjonalnego prądu wtórnego w obwodzie pomiarowym.

Przykład oznaczenia przekładni:

Oznacza to, że przy prądzie pierwotnym 100 A po stronie wtórnej powinien płynąć prąd 5 A, przy zachowaniu warunków znamionowych.

Przekładnik prądowy należy traktować jako element pracujący w obwodzie prądowym. Jego obwód wtórny powinien być zamknięty przez przyrząd pomiarowy albo zwarty na listwie kontrolnej. Nie wolno pozostawiać strony wtórnej przekładnika prądowego w stanie rozwarcia podczas przepływu prądu pierwotnego, ponieważ może to doprowadzić do powstania niebezpiecznych przepięć oraz przegrzania przekładnika.

3. Przekładnik napięciowy

Przekładnik napięciowy służy do przekształcania napięcia pierwotnego na mniejsze napięcie wtórne, odpowiednie dla przyrządów pomiarowych lub zabezpieczeń. Przekładniki napięciowe stosuje się szczególnie wtedy, gdy napięcie obwodu głównego jest zbyt wysokie dla bezpośredniego pomiaru. Przekładnik napięciowy obniża napięcie do wartości bezpieczniejszej i dogodnej dla aparatury pomiarowej, na przykład do napięcia rzędu 100 V, 110 V, 115 V albo 120 V, zależnie od systemu i zastosowanego rozwiązania.

W przeciwieństwie do przekładnika prądowego, przekładnik napięciowy pracuje podobnie jak transformator napięciowy. Jego uzwojenie pierwotne jest przyłączone równolegle do badanego napięcia, a uzwojenie wtórne zasila przyrząd pomiarowy lub układ zabezpieczeniowy.

Przykład oznaczenia przekładni:

Oznacza to, że napięciu pierwotnemu 15 000 V odpowiada napięcie wtórne 100 V.

Przekładniki napięciowe mogą zasilać między innymi:

• woltomierze,
• liczniki energii,
• analizatory parametrów sieci,
• przekaźniki zabezpieczeniowe,
• układy automatyki.

W torach wtórnych przekładników napięciowych należy zwracać uwagę na zabezpieczenia obwodów wtórnych, poprawną biegunowość, ciągłość przewodów oraz zgodność opisów zacisków z dokumentacją. W odróżnieniu od przekładnika prądowego, obwodu wtórnego przekładnika napięciowego nie należy zwierać, ponieważ może to spowodować przepływ dużego prądu i zadziałanie zabezpieczenia albo uszkodzenie obwodu.

4. Przekładnia przekładnika

Przekładnia przekładnika określa stosunek wielkości pierwotnej do wielkości wtórnej. W przypadku przekładnika prądowego jest to stosunek prądu pierwotnego do prądu wtórnego. W przypadku przekładnika napięciowego jest to stosunek napięcia pierwotnego do napięcia wtórnego.

Dla przekładnika prądowego można zapisać:

gdzie:

k_I - przekładnia prądowa [-],

I₁ - prąd po stronie pierwotnej [A],

I₂ - prąd po stronie wtórnej [A].

Dla przekładnika napięciowego można zapisać:

gdzie:

k_U - przekładnia napięciowa [-],

U₁ - napięcie po stronie pierwotnej [V],

U₂ - napięcie po stronie wtórnej [V].

Przykład:

Dla przekładnika prądowego 200/5 A przekładnia wynosi:

Oznacza to, że prąd pierwotny jest 40 razy większy od prądu wtórnego. Jeżeli po stronie wtórnej zmierzono:

to prąd po stronie pierwotnej można obliczyć jako:

5. Klasa dokładności i obciążenie przekładnika

Klasa dokładności przekładnika jest oznaczeniem związanym z dopuszczalnymi błędami przekładnika w określonych warunkach pracy. Błąd przekładnika może dotyczyć wartości prądu lub napięcia, a w pomiarach mocy i energii także przesunięcia fazowego między sygnałem pierwotnym i wtórnym.

Przykładowe klasy dokładności przekładników prądowych do pomiarów mogą obejmować między innymi klasy:

• 0,2
• 0,5
• 1

Im mniejsza liczba klasy, tym większa wymagana dokładność przekładnika w określonych warunkach pracy. Dobór klasy dokładności zależy od zastosowania. Innych przekładników można wymagać dla pomiarów rozliczeniowych, innych dla pomiarów kontrolnych, a jeszcze innych dla zabezpieczeń.

Drugim ważnym parametrem jest obciążenie przekładnika, czyli moc pozorna pobierana przez obwód wtórny przekładnika. Obciążenie podaje się zwykle w woltoamperach [VA]. Obejmuje ono przyrząd pomiarowy, przewody wtórne, zaciski i inne elementy toru wtórnego.

Jeżeli obciążenie toru wtórnego jest zbyt duże, przekładnik może pracować poza warunkami znamionowymi, a wynik pomiaru może być obarczony większym błędem.

W praktyce należy więc sprawdzić:

• przekładnię przekładnika,
• klasę dokładności,
• moc znamionową strony wtórnej,
• rzeczywiste obciążenie toru wtórnego,
• długość i przekrój przewodów wtórnych,
• liczbę podłączonych przyrządów,
• zgodność układu z dokumentacją.

6. Biegunowość i oznaczenia zacisków

W przekładnikach pomiarowych bardzo ważne są oznaczenia zacisków oraz biegunowość. Błędne podłączenie może spowodować nieprawidłowe wskazania mierników, błędny pomiar mocy, błędny kierunek przepływu energii albo nieprawidłową pracę zabezpieczenia.

W przekładnikach prądowych można spotkać oznaczenia zacisków strony pierwotnej i wtórnej, na przykład:

• P1, P2 po stronie pierwotnej,
• S1, S2 po stronie wtórnej.

W przekładnikach napięciowych można spotkać oznaczenia zacisków, które wskazują początek i koniec uzwojenia pierwotnego oraz wtórnego. Konkretne oznaczenia zależą od typu przekładnika i dokumentacji producenta.

Biegunowość przekładnika określa względny kierunek wielkości pierwotnej i wtórnej. Oznaczenia biegunowości są szczególnie ważne w układach pomiaru mocy i energii, ponieważ miernik musi otrzymywać sygnały prądowe i napięciowe we właściwym kierunku fazowym.

Przykładowy błąd:

Jeżeli przewody wtórne przekładnika prądowego zostaną zamienione miejscami, licznik energii albo analizator może wskazywać niewłaściwy kierunek przepływu mocy. W układach trójfazowych błąd jednego przekładnika może powodować nieprawidłowe wskazania mocy całkowitej.

Podczas sprawdzania toru pomiarowego należy więc zwrócić uwagę na:

• zgodność oznaczeń zacisków z dokumentacją,
• kierunek przeprowadzenia przewodu przez przekładnik,
• poprawność połączeń S1 i S2,
• zgodność fazy przekładnika prądowego z odpowiadającym napięciem,
• opis listew kontrolnych,
• zgodność oznaczeń przewodów z protokołem lub schematem.

7. Tor pomiarowy

Tor pomiarowy jest drogą, którą sygnał pomiarowy przechodzi od badanego obwodu do przyrządu pomiarowego, licznika, analizatora albo zabezpieczenia.

W przypadku toru prądowego mogą to być:

• przewód lub szyna obwodu pierwotnego,
• przekładnik prądowy,
• przewody wtórne,
• listwa kontrolna,
• zaciski pośrednie,
• wejście prądowe miernika lub licznika.

W przypadku toru napięciowego mogą to być:

• punkt przyłączenia napięcia,
• przekładnik napięciowy, jeżeli jest stosowany,
• zabezpieczenia obwodu wtórnego,
• przewody wtórne,
• listwa kontrolna,
• wejście napięciowe miernika lub licznika.

Sprawdzenie toru pomiarowego polega na potwierdzeniu, że sygnał z przekładnika dociera do właściwego przyrządu, w prawidłowej fazie, z właściwą biegunowością i bez przerw albo zwarć w przewodach.

Typowe czynności obejmują:

• sprawdzenie zgodności połączeń ze schematem,
• sprawdzenie opisów przewodów,
• sprawdzenie ciągłości przewodów wtórnych,
• sprawdzenie kierunku przekładnika,
• sprawdzenie przypisania faz,
• sprawdzenie połączeń na listwie kontrolnej,
• sprawdzenie wskazań miernika lub licznika,
• porównanie wartości z pomiarem odniesienia.

W torach wtórnych przekładników należy także pamiętać o zasadach uziemienia. W wielu układach jeden punkt obwodu wtórnego jest uziemiany w celu ograniczenia niebezpiecznych napięć względem ziemi. Sposób uziemienia powinien wynikać z projektu, dokumentacji technicznej i instrukcji stanowiskowej.

8. Przykład obliczeniowy: sprawdzanie przekładni przekładnika prądowego

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący sprawdzenia przekładni przekładnika prądowego.

Dane do przykładu

Przyjęto przekładnik prądowy:

Przekładnia znamionowa wynosi:

Podczas sprawdzenia zmierzono po stronie wtórnej:

Prąd po stronie pierwotnej obliczony z przekładni wynosi:

Jeżeli niezależny pomiar cęgami prądowymi po stronie pierwotnej wskazuje około:

to wynik można uznać za zgodny w zakresie przykładu dydaktycznego.

Taki sposób sprawdzenia pozwala ocenić poprawność przekładni i toru pomiarowego w warunkach dydaktycznych, ale nie zastępuje pełnego badania dokładności przekładnika wykonywanego specjalistycznym stanowiskiem pomiarowym.

Przykładowy wniosek 

Dla przekładnika prądowego 200/5 A przekładnia znamionowa wynosi k_I = 40. Przy zmierzonym prądzie wtórnym I₂ = 2,50 A obliczony prąd po stronie pierwotnej wynosi I₁ = 100 A. Wartość ta jest zbliżona do pomiaru odniesienia I_ref = 101 A. W zakresie wykonanego sprawdzenia tor pomiarowy prądu można uznać za zgodny z przekładnią.

9. Przykład sprawdzenia toru pomiarowego

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący sprawdzenia toru pomiarowego prądu w układzie trójfazowym. Dane w przykładzie dobrano tak, aby pokazać zarówno przypadek toru pomiarowego zgodnego z pomiarem odniesienia, jak i tor wymagający dalszej kontroli.

Dane do przykładu

Przyjęto:

• układ: trójfazowy tor pomiaru prądu,
• przekładniki prądowe: 300/5 A,
• przekładnia: k_I = 60,
• miernik: analizator parametrów sieci,
• sprawdzane fazy: L1, L2, L3,
• pomiar odniesienia: cęgi prądowe po stronie pierwotnej.

Tabela sprawdzenia

Interpretacja wyników

Dla faz L1 i L2 wartości obliczone z przekładni są zbliżone do pomiaru odniesienia. Oznacza to, że tory pomiarowe tych faz prawdopodobnie są podłączone poprawnie.

Dla fazy L3 występuje duża różnica między wartością obliczoną z przekładni a pomiarem odniesienia. Może to oznaczać:

• błędne przypisanie fazy,
• odwrotne przeprowadzenie przewodu przez przekładnik,
• pomyłkę w połączeniach wtórnych,
• nieprawidłową przekładnię przekładnika,
• uszkodzenie przekładnika,
• błąd pomiaru odniesienia,
• błędny opis przewodów na listwie kontrolnej.

Przykładowy wniosek:

Sprawdzenie torów pomiarowych L1 i L2 wykazało zgodność wartości obliczonych z przekładni z pomiarem odniesienia. W torze L3 stwierdzono znaczną niezgodność. Należy sprawdzić przypisanie faz, kierunek przekładnika, połączenia na listwie kontrolnej oraz oznaczenia przewodów wtórnych.

10. Bezpieczeństwo podczas pracy z przekładnikami

Praca z przekładnikami pomiarowymi wymaga zachowania szczególnej ostrożności. Dotyczy to zwłaszcza przekładników prądowych, których obwody wtórne nie mogą być rozwierane podczas przepływu prądu pierwotnego.

Rysunek 3. Bezpieczna praca z obwodem wtórnym przekładnika prądowego. Obwód wtórny powinien być zamknięty przez przyrząd pomiarowy albo zwarty na listwie kontrolnej.

Najważniejsze zasady bezpieczeństwa:

• nie rozłączać obwodu wtórnego przekładnika prądowego przy obciążonym obwodzie pierwotnym,
• przed odłączeniem przyrządu od przekładnika prądowego zewrzeć obwód wtórny na listwie kontrolnej,
• nie dotykać nieosłoniętych zacisków obwodów wtórnych,
• wykonywać czynności zgodnie z instrukcją stanowiskową,
• sprawdzać oznaczenia przewodów i zacisków,
• nie wykonywać zmian połączeń bez nadzoru osoby uprawnionej,
• stosować odpowiednie przyrządy pomiarowe,
• przestrzegać zasad BHP i procedur dla rozdzielnic.

Rozwarcie strony wtórnej przekładnika prądowego może prowadzić do powstania wysokiego napięcia i przegrzania przekładnika, dlatego przekładniki prądowe nie powinny pracować z rozwartym obwodem wtórnym.

W przypadku przekładników napięciowych należy natomiast zwracać uwagę na zabezpieczenia obwodów wtórnych, poprawne uziemienie strony wtórnej oraz ochronę przed zwarciem obwodu wtórnego. Zasady postępowania powinny wynikać z dokumentacji, instrukcji stanowiskowej i wymagań dla danego układu.

11. Przykład protokołu sprawdzenia toru pomiarowego

Po wykonaniu sprawdzenia toru pomiarowego należy zapisać wyniki w protokole. Protokół powinien umożliwiać odtworzenie toru pomiarowego, zastosowanych przekładników, wykonanych czynności i wniosków.

Wyniki można zapisać w tabeli:

Przykładowy wniosek z protokołu

W torach pomiarowych L1 i L2 uzyskano zgodność wartości obliczonych z przekładni z pomiarem odniesienia. W torze L3 stwierdzono znaczną różnicę między prądem obliczonym z przekładni a pomiarem odniesienia. Tor L3 wymaga sprawdzenia połączeń wtórnych, przypisania faz, kierunku przekładnika oraz oznaczeń przewodów na listwie kontrolnej.

12. Najczęstsze błędy podczas sprawdzania torów pomiarowych

Podczas pracy z przekładnikami i torami pomiarowymi można spotkać wiele błędów, które prowadzą do nieprawidłowych wskazań albo zagrożenia bezpieczeństwa.

Do najczęstszych błędów należą:

• zamiana przewodów S1 i S2 przekładnika prądowego,
• błędne przypisanie przekładnika do fazy,
• zamiana faz w torze napięciowym,
• niezgodna przekładnia wprowadzona do miernika lub licznika,
• brak zgodności oznaczeń przewodów z dokumentacją,
• przerwa w przewodzie wtórnym,
• luźne połączenie na listwie kontrolnej,
• zbyt duże obciążenie strony wtórnej przekładnika,
• brak wymaganego uziemienia obwodu wtórnego,
• rozwarcie obwodu wtórnego przekładnika prądowego,
• brak porównania wskazań z pomiarem odniesienia,
• wpisanie wyniku bez podania przekładni i jednostki.

Szczególnie niebezpieczne jest rozwarcie strony wtórnej przekładnika prądowego. Dlatego przed odłączeniem miernika lub licznika w torze wtórnym przekładnika prądowego należy zastosować odpowiednią listwę kontrolną i zwarcie toru wtórnego zgodnie z instrukcją.

Wniosek praktyczny
Sprawdzenie toru pomiarowego nie polega tylko na odczytaniu wartości z miernika. Trzeba ustalić, czy zastosowano właściwy przekładnik, czy przekładnia jest poprawnie uwzględniona, czy przewody wtórne są podłączone do odpowiednich zacisków, czy zachowano biegunowość oraz czy wskazania są zgodne z pomiarem odniesienia.

Podsumowanie lekcji

W tej lekcji omówiono podstawowe zagadnienia związane z przekładnikami pomiarowymi oraz sprawdzaniem torów pomiarowych.

Wyjaśniono, że przekładniki pomiarowe służą do przekształcania dużych prądów lub wysokich napięć na wartości dogodne dla aparatury pomiarowej, liczników, analizatorów i zabezpieczeń. Przekładnik prądowy przekształca prąd, a przekładnik napięciowy przekształca napięcie.

Omówiono pojęcie przekładni przekładnika. Pokazano, że na podstawie wartości wtórnej i przekładni można obliczyć wartość odpowiadającą stronie pierwotnej. Przedstawiono również znaczenie klasy dokładności i obciążenia strony wtórnej przekładnika.

Szczególną uwagę zwrócono na biegunowość i oznaczenia zacisków. Nieprawidłowe podłączenie przekładnika może prowadzić do błędnych wskazań prądu, mocy, energii albo kierunku przepływu energii.

W części praktycznej omówiono sprawdzanie toru pomiarowego. Tor pomiarowy obejmuje przekładnik, przewody wtórne, listwy kontrolne, zaciski i przyrząd pomiarowy. Sprawdzenie toru polega na potwierdzeniu zgodności połączeń, przekładni, faz, biegunowości i wskazań z pomiarem odniesienia.

Lekcja podkreśla również zasady bezpieczeństwa. Najważniejszą z nich jest zakaz rozwierania obwodu wtórnego przekładnika prądowego podczas przepływu prądu pierwotnego. Takie działanie może spowodować niebezpieczne napięcie i uszkodzenie przekładnika.