Kasumovi Imran III-1

Elektrina mjerenja

Mjerenja u elektroenergetici

Openito o elektrinim mjerenjima i elektrinim mijernim instrumentima:

U razvoju ljudskog drutva potreba za mjerenjem se javila u onom trenutku kada se javila potreba za poreenjem. Ljudi su gotovo uvijek imali potrebu za poreenjem, odnosno, potrebu za mjerenjem vremena, duine, teine...

Mjerenje je odreivanje bilo kakve veliine, koliine ili iznosa u standardnim jedinicama i pomo sredstava za mjerenje.

Elektrina mjerenja obuhvataju postupke za mjerenje veliine, koliine ili iznosa i utvrivanje karakteristika razliitih veliina, elektrinih i neelektrinih fizikalnih veliina pomou elektrinih mijernih instrumenata, naprava i ureaja.

Elektrini mijerni instrument se sastoji od jednog ili vie mijernih sistema smjetenih u kuitu i dodatnog pribora (predotpornici, ispravljaci...), koji moe biti ugraen u kuitu prododat ili se moe naknadno prikljuiti.

U elektrine naprave spadaju:

1. Oscilograf i osciloskopi

2. Mostovi i kompezatori

3. Pokazni, registrirajui i kontaktni instrumenti 4. Elektrina brojila

5. Elektronski digitalni instrumenti i brojai 6. Etaloni

7. Mjerna pojaala 8. Izvori struje

9. Pomoni ureaji

Mjerne veliine i mjerne jedinice

U definiciji mjerenja spomenuli smo i standardne jedinice. Danas se u naoj zemlji i u veini drugih zemalja primjenjuje meunarodni sistem jedinica (SI Sistem).

Osnovne veliine ovog sistema su:

1.Duina5.Termodinamika temperatura

2.Masa6.Jaina svijetlosti

3.Vrijeme

2

4. Jaina elektrine struje

Za nas su posebno interesantne prve 4 jedinice, koje meunarodni sistem ovako definie:

1. jedinica duine (metar) [m]

2. jedinica mase (kilogram) [kg] 3. jedinica vremena (sekunda) [s]

4. jedinica jaine elektrine struje (amper) [A]

Meunarodni sistem jedinica i kod nas je propisan po standardima i zakonom mjernih jedinica i mjerilima, to je obavljeno u slubenim novinama. Iz fizike poznajemo osnovne i izvedene jedinice i o vezama izmeu njih.

Kvalifikacija mjernih instrumenata po namjeni i nainu pokazivanja

Elektrine mjerne instrumente koristimo pri neposrednom mjerenju ele. vel. (napon, struja, snaga, otpor, faktor snage, frenkvencija, kapacitet...)

Ako elektrinim mijernim instrumentima dodamo i pretvarae, pomou kojih ne elektrine veliine pretvaramo u elektrine, onda takve veze moemo upotrebljavati i za m jerenje ne elektrinih veliina, kao to su pritisak, temperatura, brzina, ubrzanje i sl.

Moemo rei da prema namjeni elektine mjerne instrumente dijelimo na dvije grupe:

1. Elektrine mjerne instrumente za mjerenje elektrinih veliina

2. Elektrine mjerne instrumente za mjerenje ne elektrinih veliina

Prema nainu pokazivanja mjerne veliine elektrinih mjernih instrumenata dijelimo na:

1. Pokazne

2. Pegistrirajue

3. Kontaktne

U pokaznim instrumentima vrijednost izmjerene veliine oitavamo na skali skazaljkom ili direktno pomou brojeva ( na brojilima elektrine energije i na digitalnim mjernim instrumentima).

U registrirajuim mjernim instrumentima izmjerene veliine se neprekidno (za due ili krae vrijednosti) upisuju na pokretni papir, i na taj nain njihove vrijednosti registriramo u bilo kom trenutku tog perioda.

Kontaktni mjerni instrumenti omoguavaju da se izmjeri neka unaprijed odreena vrijednost elektrine ili ne elektrine veliine, a odma zatim da se poalje neki optiki ili

3

zvuni signal, a moe se i na neki drugi nain saoptiti da je na instrumentu unaprijed odreena vrjednosna veliina.

Prema nainu djelovanja odnosno prema principu rada, instrumente dijelimo na:

1. Instrumente sa obrtnim svitkom i stalnim magnetom

2. Elektro dinamike instrumente 3. Instrumente s pokretnim eljezom

4. Instrumente s unakrsnim svitcima i stalnim magnetom 5. Indukcione instrumente

6. Vibracione instrumente 7. Termike instrumente

8. Elektroenergetske instrumente 9. Brojila elektrine energije

Elektrine mjerne instrumente moemo podijeliti i na druge naine, npr:

1. Prema vrsti elektrine struje

2. Po oblicima skale 3. Nainu ugradnje

4. Uslovima primjene...

Skale i kazaljke

Trenutni poloaj kretnog sistema odnosno vrijednosne mjerne veliine, ocjenjujemo pomou poloaja kazaljke na skali na kojoj je nacrtana podjela u vidu crtica ili taaka i upisana numeracija.

Sve crtice nisu jednake duine. Zbog bolje preglednosti obino je svaka peta ili svaka deseta crtica dua od ostalih. Velike skale i broj crtica na skali zavisi od preciznosti instrumenta. Na skalama preciznih instrumenata (labalatoriski instrumenti) ima obino vie od 100 crtica priblino 1mm, dok na skalama pogonskih instrumenata ima obino manje crtica nego na skalama labaratoriskih instrumenata. Oblik kazaljke takoe zavisi o preciznosti instrumenta. U preciznim instrumentima kazaljke imaju oblik noa (noaste kazaljke) koji je okomito postavljen na skalu. Debljina noa je jednaka debljini crtice na skali.

Da bi se po skali mogla nesmetano kretati, kazaljka je malo odmaknuta od skale, pa zbog toga postoji mogunost netanog oitavanja, ako posmatra ne gleda okomito na skalu. Zbog toga se esto uz skalu, ispod kazaljke nalazi ogledalo. Posmatra se mora postaviti da kazaljka pokrije svoju sliku u ogledalu.

Nitna kazaljka omoguava tanije itanje od noaste. Kod pogonskih instrumenata upotrebljavaju se kopljaste kazaljke. One ne omoguavaju tano oitavanje kao nitne i noaste, ali zbog svojih dimenzija omoguavaju oitavanje i sa vee udaljenosti, to je u elektronskim postrojenjima od posebnog znaaja.

4

Sve do sad opisane kazaljke spadaju u grupu tkzv. materialnih kazaljki. U osjetljivim instrumentima esto se upotrebljava posebna vrsta kazaljki. To su svjetlosne kazaljke.

Svjetlosna kazaljka

Mali projekcioni aparat alje svjetlosni zrak koji prolazi kroz skalu i sliku tanke crte skale projecira na ogledalo. Svjetlosni zrak se odbija od ogledala i dolazi na skalu (odvojenu skalu) koja je od njega udaljena 1-2m. Ogledalo je smjeteno na osovini instrumenta. Zakretanjem ogledala za ugao dolazi do otklona svjetlosne zrake za ugao 2 . Time se postie tanije oitavanje i velika osjetljivost, a to nam je i cilj.

Pokazni i mjerni opseg:

Na skali instrumenta razlikujemo pokazni i mjerni opseg.

Pokazni opseg obuhvata cijelu skalu na kojoj promatramo pokazivanje kazaljke.

Mjerni opseg obuhvata samo onaj dio pokaznog opsega skale na kojem moemo oitati mjerenu vrijednost s potrebnom tanou.

Prema tome mjerni opseg moe biti ili jednak pokaznom opsegu ili manji od njega.

Zakretni momenat moe da raste linearno s prostorom mjerne veliine. U tom sluaju skala instrumenta je linearna. Ako zakretni momenat raste s kvadratom porasta mjerne veliine, onda je skala instrumenta kvadratina. Na linearnim skalama je razmak izmeu susjednih crtica jednak na itavoj duini skale, doj je kod kvadratnih skala razmak izmeu susjednih crtica razliit, odnosno sve je vei to je mjerena vrijednost vea, tako da su crtice na poetku skale zbijene a pri kraju razmaknute. Na sljedeim slikama prikazane su linearna, kvadratina i logoritamska skala, a poslije toga prikazani su razliiti oblici skala.

5

Mehaniki podsistem mjernih instrumenata (moment i protumoment)

Elektrini mjerni instrumenti sastoje se od 2 dijela:

Kretanje sistema na koji djeluje mjerena veliina. Da bi se kazaljka instrumenta, koji pokree kretni zaustavila u nekom poloaju, mom. sila kretnog i upravljakog sistema moraju se izjednaiti. Da bi smo ovo bolje shvatili, moemo pojasniti rad vage sa pljosnatom spiralnom oprugom, koja slui za mjerenje malih veliina. Uteg djeluje na osovinu momentom N = F L, to uzrokuje uvijanje opruge. Ona se opire uvijanju otpornim momentom.

Priguenje i vrste priguenja

Proticanjem struje kroz kretni sistem instrumenta dolazi do njegovog skretanja, koje e biti toliko vee u kolikoje jaina struje vea. Meutim, kretni sistem, odnosno kazaljka

6

nee se odma zaustaviti na poloaj koji odgovara vrijednosti jaine struje, nego e oscilovati (titrati) oko tog poloaja.

Postoje tri naina priguenja:

1. Elektromagnerno

2. Vazduno 3. Tekuinsko

To bi se isto dogodilo ako bi dolo do prekida elektrine struje. U tom sluaju kazaljka instrumenta ne bi se odma vratila u prvobitni (nulti) poloaj ve bi izvrila niz situacija do konanog umirenja.

Klasa tanosti i pogreke osjetljivost mjernog instrumenta

Uvijek se izmjerena vrijednost neke veliine razlikuje od prave vrijednosti. Pri tanijim mjerenjima odstupanje je manje. Meutim, nema apsolutno tanog mjerenja. Odstupanja nastaju zbog nesavrenosti mjernog instrumenta, mjerje ketode i line pogreke promatraa. Premo tome, sve pogreke moemo podijeliti na dva dijela:

1. Sistematske

2. Sluajne

U sistematskim pogreke spadaju pogreke mjernih instrumenata, nepravilno odabrane mjerne metode i razne subjektivne greke. Openito se moe rei da sistematske pogreke uvijek imaju odreenu vrijednost i odreen predznak, pa i zbog toga moemo uzeti u obzir prilikom odreivanja korekcije. U grupu sluajnih pogreaka spadaju sve pogreke nastale zbog promijena u instrumentu i njegovoj okolini.

Konstanta instrumenta

Kod veine mjernih instrumenata, skale su obino oznaene u jedinici mjerne veliine. Skale ampermetra obino su oznaene do 1A, 2,5A, 6A, 60A..., a skale voltmetra do 100V, 500V, 600V.... Takve instrumente e mo sresti u elektro industriskim postrojenjima. Meutim, kod labalatoriskih i preciznih instrumenata skale nisu oznaene, nego su samo podjeljena na odreeni broj podioka, npr. na 100 podioka. Tim istim instrumentom moemo mjeriti struju do 5A, ali i struju do 500A. Potrebno je zbog toga da znamo u svakom slinom mjerenju koliko jednom podioku na skali odgovara jedinica mjerene veliine, a to znai da ovaj podatak mora poznavati prije mjerenja.

Razmak koji dijeli dvije susjedne crtice naziva se podiok i oznaava se skraeno kao ugao . Ako mjerni opseg instrumenta Mo (koji obuhvata cijelu duinu njegove skale)podjelimo na broj podioka na skali , dobit emo konstantu instrumenta k, tj:

7

k Mo

Konstanta instrumenta je koeficijent kojim treba pomnoiti broj oitanih podioka na skali instrumenta da bi se dobila vrijednost mjerene veliine, koja je izraena umnoskom:k [ A,V,W... ]

Ako npr. instrument na ijoj se skali nalazi 100 podioka elimo mjeriti struju od 0-15A, onda e konstanta instrumenta biti:

k Mo 10015 0,15 [A/pod]

Oitani broj podioka mnoimo s konstantom instrumenta i dobijemo mjerenu veliinu. Ako smo, npr., u konkretnom sluaju oitali na skali instrumenta 70 podioka, onda vrijednost mjerene veliine iznosi =70 podioka.

Ako je potrebno da vrimo niz uzastopnih oitavanja, onda biljeimo samo oitane podioke, a nakon zavrenog mjerenja izraunamo vrijednost mjerene veliine.

Pomoni ureaji za mjerenje

Mjerni otpornici:

Mjerni otpornici, mjerni ind. (svitci, zavojnice, namoti) i mjerni kondenzatori imaju veliku primjenu u mjernoh tehnologiji. Nalazimo ih ugraene u svim mjernim instrumentima u labalatorijama za elektrina mjerenja nepoznatih otpora, mjerni kondezator za mjerenje nepoznatih kapaciteta i mjernim svitcima za mjerenje nepoznatih ind.

Mjerni otpornik mora da bude to ii a to znai da njegov vlastiti ind., njegov vlastiti kapacitet prema zemlji moraju da budu to manji. Njegov otpor mora da bude to manje ovisan od promjene temperature, vlage i vanjskih utjecaja i elektrinog polja. Na sljedeoj slici prikazana je ekvivalentna shema mjernog otpornika.

8

Ekv. shema mjernog otpornika

Mjerni kondezatori i mjerni svici

Mjerni kondezator treba da ima to manje gubitke u dielektriku i to manji vlastiti induktivitet. Njegov kapacitet mora biti tano poznat i prezavisan od promjene temperature, napona i frenkvencije. U idealnim mjernim kondezatorima fazni pomak izmeu struje I i napona U iznosi tano 2 (90).

U stvarnom mjernom kondezatoru fazni pomak nije jednak 2 nego iznosu: = 2 - gdje je ugao gubitaka.

Gubici u kondezatoru su:P= U I cos = U I sinP=U C sin = U C

Mjerni kondezator sa vazduhom kao lielektrikom najvie se pribliava idealnom kondezatoru. Kapacitet etalona (inormirana vrijednost na osnovu koje se konstruiu svi ostali ele.) kondezator sa vazduhom kao dielektrikom iznose 100-5000 piko farada (pF).

Za etalone veih kapaciteta upotrebljavaju se kondezatori sa vrstim dielektrikom (papir, keramika). Ovu kondezatori izrauju se kao pojedinani etaloni ili kao etalonske dekarske kutije sa stepenicama.

Razliite vrijednosti kapaciteta kod dekarskih kondezatora odnosno dekarskim kondezatorskim kutijama dobijamo paralelu spajanjem kondezatora. Za mjerenje pri visokim naponima upotrebljavamo tlane kondezatore u kojima je dielektrik azot ili neki drugi plin pod vrlo visokim pritiskom.

9

Vektorski diagram struje i napona u strujnom kondezatoru

Mjerni svici:

Mjerni svici moraju da imaju taan induktivitet (L) ili taan meu induktivitet (M). Takoe njihov induktivitet treba to manje da zavisi od frenkvencije, struje, temperature i vanjskih magnetnih polja, ond., mjerni svitak mora da bude to ii. Mjerni svici se izrauju od metalnih ica. Njih ne namotavamo na eljeznu jezgru. Ove ice imaju i otpor (R) tako da postojanje otpora u mjernom svitku ne moemo izbjei. Ekvivalentna shema mjernog svitka je ista kao i ekvivalentna shema mjernog otpora.

Apsolutni etalon induktiviteta praktino ne postoji. Njemu se najvie pribliava etalon induktiviteta koji se dobije tako da se u jednom sloju ica namota na cilindrino tijelo od mramora, kvarca ili stetita. Induktivitet ovakvog etalonskog svitka odreujemo raunskim putem i njegova tanost iznosi 10 6 H.

Najpreciznije apsolutne etalone induktiviteta upotrebljavamo samo za najpreciznija mjernja. Zalabalatoriska mjerenja pogodni su i etaloni induktiviteta koji su vieslojno namotani.

Induktivitet etalona dobiva se pomou izraza L=25,5Nr 10 9 [H] gdje N oznaava broj navojaka svitka, dok je sa r oznaen unutranji poluprenik u centimetrima. Etaloni induktiviteta se obino izrauju u dekarskim stepenima od 1 10 3 H do 1H.

Etaloni meu induktiviteta (M) su gotovo istog oblika kao i etaloni induktiviteta. Imaju dva svitka, primarni ili sekundarni koji su zajedno namotani. Ako je r=4,139b onda se uz odreenu koliinu bakra dobije najvei meu induktivitet

M = 78bN 10 9 [H]

Gdje N oznaava broj navojaka oba svitka, dok b oznaava str. kvadrat svitka u centimetrima.

Mjerne sonde i vremenski upravljaki mehanizmi

Mjerne sonde predstavljaju pomoni pribor. Slui nam za jerenje elektrinih i ne elektrinih veliina. najee se primjenjuju mjerne sonde za mjerenje magnetnog polja i temperature. Prilikom mjerenja magnetnog polja upotrebljavaju se volva i tersferova sonda, te razne otporne sonde. Ove sonde su obino veoma malih dimenzija to omoguava zavlaenje sonde u meugvoe elektrinih maina i direktno mjerenje magnetne indukcije,

10

Na krajevima sonde se nalazi instrument koji direktno pokazuje vrijednost itmjerene magnetne indukcije. Terterovom sondom mjerimo veoma slaba magnetna polja istosmijerne struje, kao to su polja feromagnetnog materijala i predmeta u zemlji ili vodi.

Otporne magnetne sonde omoguavaju mjerenje magnetnog polja na osnovu poznate pojave, da se specifini otpor metala i poluvodia vie ili manje poveava u magnetnom polju.

Znaajnu primjenu imaju mjerne sonde za mjerenje temperature. Za induktivitet mjerenja upotrebljava se mjerna sonda u obliku termo elektrine ili otporne mjerne sonde.

Mjerne sonde u obliku termoelektrine sastavljene su od metala i legura a najee kombinacije su eljezo-const, nikl-krom-nikl, platina-rodi-platina... Za mjerenje temperature najee se upotrebljavaju sonde izraene od platnine. Dimenzione sonde za mjerenje temperature su veoma male, ali zbog potrebe da se ove sonde zavlae u nepristupane dijelove elektine maine, kao i drugih maina i ureaja, njihova ukupna duina dostie i do 1000mm.

Vremenski upravljaki mehanizmi spadaju takoe u pomoni pribor za mjerenje. U sutini on omoguava prema nekom unaprijed utvrenom vremenskom redosljedu, davanje komandi za ukljuenje i iskljuenje strujnih krugova ili nekih drugih mehanizama. Najpoznatiji i najei je uklopni sat, koji omoguava da se na jednom brojilu mjeri potronja elektrine energije po dvjema razliitim cijenama i registracija na dva razliita zvaninika.

Mjerni transformatori

Mjerenje velikih struja bez obzira na vrijednost napona i mjerenje bilo kakvih struja pri visokim naponima zahtjeva vrlo velike dimenzije ureaja. Zbog toga se instrument ne prikljuuje direktno na vod nego na sekundarne stezaljke mjernog transformatora.

Postoje dvije vrste mjernih transformatora:

1. Naponski

2. Strujni

Naponski mjerni transformator nije nita drugo nego slabo optereeni energetski transformator. Prenosni odnos transformatora je:

U1 N1U2 N2

11

gdje su N1 i N 2 brojevi navojaka primarnog i sekundarnog namota. Primarni napon transformatora jednaki su nazivni naponima mree. Sekundarni naponi iznose 100V, 100 3V i 2003V .

Ukoliko su primarne stezaljke naponskog transformatora U i V prikljuene na liniski napon mree, onda sekundarni napon iznosi 100V, a ako su prikljueni na fazni napon mree, onda sekundarni napon iznosi 100 3V .

U elektrinim postrojenjima 220KV i 380KV upotrebljava se naponski transformator iji sekundarni naponi iznose 200 3V . Nazivne snage su standadizirane i iznose 10, 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 240 i 300 VA.

Ako sa K =U1oznaimo prenosni odnos naponskog transformatora, onda greku

U 2

definiemo kao:

u k U2 U1 100%.U1

Pored naponske greke, postoji i ugaona greka transformatora. U primarnom i sekundarnom namotu postoje padovi napona zbog ega primarni i sekundarni napon nisu u strogoj opoziciji.

Postoje dva osnovna tipa naponskih transformatora:

1. Jednopolni izolovani

2. Dvopolni izolovani

Jednopolni izolovani naponski transformator ima jedan visokonaponski prikljuak, dok su drugi kraj visokonaponskog namota i drugi kraj niskonaponskog namota spojeni sa metalnim kuitem i uzemljenjem.

Dvopolno izolovan naponski transformator ima dva visokonaponska prikljuka i dva niskonaponska prikljuka. Od jednopolno izoliranih i dvopolno izoliranih naponskih transformatora sastavljamo trofazni napon transformatora. Za napone do 35KV rade se i jedni i drugi, a za napone 110KV i vie,samo jednopolni izolirani.

Strujni mjerni transformator:

12

Strujni mjerni transformator je veoma slian energetskom transformatoru, iji je sekundarni namot kratko spojen. Prikljuak strujnog transformatora prikazan je na sljedeoj slici:

Struja I1 je struja troila i ona tee kroz primarni namot, a izmeu nje struja I2, i vrijedi odnos

I1-I2 = N2:N1

Sekundarnestezaljke strujnog transformatora ne smiju biti otvorene.

Magnetopobudnoj sili primar struje I1, N1 dri ravnoteu magnetopobudnih sila I2 i N2 i magnetopobudna sila magnetiziranja Io, N1.

Izmeu njih postoji odnos:

I1 N1 = I2 N2 ^ Io N1

Vertikalni poloaj struja I1, I2 i Io prikazan je ma diagramu. Struja magnetiziranja nije nita drugo nego dio primara struje I1. Ukoliko je I2 = 0 sva primarna struja postaje struja magnetiziranja. U normalnom pogonu napon izmeu stezaljki k i L je neznatan, pa je struja magnetiziranja mala, i iznosi svega nekiliko procenata primara stuje.

Treba imati na umu da kod otvorenog sekundarnog namota primarna struja nee biti manja zbog neoptereenog transformatora jer njena vrijednost zavisi iskljuivo od potroaa prikljuenih na to strujno kolo.

Do toga tvrdimo da e pri otvorenom sekundarnom namotu, struja Io porasti za desetine ili stotine puta u odnosu na normalnu struju magetiziranja.

Magnetna indukcija e takoe porasti ali e njen porast biti manji zbog zasienja eljezne jezgre. Gubitci u jezgru e se poveati kako zbog vrtlonih struja, tako i zbog histerezinog magnetiziranja.

13

Posljedica toga bit e suvie veliko zagrijavanje eljezne jezgre, pojavit e se po ivot opasan napon.

U sekundarni strujni krug transformatora ne ugrauju se osigurai, jer bi njihovim izgaranjem strujni krug ostao otvoren. Posebno znaajna karakteristika strujnog transformatora jeste viekratni broj koji se oznaava sa malo slovo n.

To je viekratnik nazivne primarne struje kod koje pri nazivnoj snazi strujna greka iznosi 10%. Strujni transformator za mjerenje, rade se da imaju mali strujni viekratnik (n