Измерение сопротивления изоляции и заземления

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА

ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы: Изучить наиболее распространенные методы и аппаратуру для измерения сопротивления на постоянном токе, приобрести навыки по обработке результатов измерений и определению погрешности измерения.

Задания: 1. По лекциям и рекомендуемой литературе изучить теоретическое обоснование методов и аппаратуру для измерения сопротивлений на постоянном токе.

2. Изучить инструкции к приборам, используемым в лабораторной работе.

3. Практически осуществить измерение электрических сопротивлений различными методами и приборами (по заданию преподавателя).

Общие положения

Для измерения омического сопротивления постоянному току могут быть использованы разнообразные методы и приборы. Это объективно обусловлено широким диапазоном величин сопротивлений, подлежащих измерению (от 10^-8 до 10^-16 Ом), большим числом объектов измерений, различием в требованиях к точности измерений.

При выборе метода измерения и конкретного вида прибора надо обеспечить прежде всего получение надежных результатов в соответствии с поставленными требованиями. Не следует увлекаться при этом излишней точностью и чувствительностью аппаратуры. Омические сопротивления условно подразделяют на три группы:

- малые (до 1 Ом);

- средние (от 1 до 10⁵ Ом);

- большие (свыше 10⁵ Ом).

Измерение сопротивления постоянному току

Сопротивление постоянному току может быть измерено косвенно с использованием приборов непосредственной оценки, а также с применением приборов прямого действия (омметры, мегаомметры, тераомметры) и с применением приборов сравнения (мосты и потенциометры).

Для косвенного определения сопротивлений используют приборы непосредственной оценки, включаемые по различным схемам (рис. 12). В схеме, показанной на рис. 12, а, используется один вольтметр, при неизменном напряжении питания в положении 1 переключателя П показания вольтметра

,

в положении 2

.

Неизвестное сопротивление рассчитывают но двум показаниям вольтметра и по известному его входному сопротивлению:

.

Значение неизвестного сопротивления можно определить по показаниям амперметра, включенного по схеме, приведенной на рис. 12, б. В первом положении переключателя П показание амперметра пропорционально силе тока

;

во втором

.

а) б) в)

Рис. 12. Схемы косвенного измерения сопротивления постоянному току

Неизвестное сопротивление рассчитывают по формуле

.

Метод измерения сопротивления двумя приборами - амперметром и вольтметром. При известном входном сопротивлении используемых приборов значение неизвестного сопротивления в положении 1 переключателя П определяют по формуле

.

Относительная погрешность измерения при этом не превышает

.

В положении 2 переключателя П неизвестное сопротивление

,

а погрешность не превышает значения

.

Приведенные формулы показывают, что с точки зрения погрешностей измерений схемы включения вольтметра до амперметра (переключатель П на рис. 12, в в положении 1) и после него (переключатель П в положении 2) неравноценны. Это вызвано тем, что вольтметр, включенный до амперметра (положение 1 переключателя П) показывает суммарное падение напряжения на амперметре и измеряемом сопротивлении. Поэтому результаты измерений будут больше действительного значения сопротивления. В положении 2 переключателя П амперметр показывает силу тока, большую действительной на значение тока, протекающего через вольтметр. Таким образом, при известном входном сопротивлении приборов можно использовать любую схему их соединения.

Если сопротивления приборов неизвестны - то рациональнее для измерения малых сопротивлений использовать схему с амперметром до вольтметра. Схему с вольтметром до амперметра целесообразно применять, если неизвестное сопротивление одного порядка с входным сопротивлением вольтметра.

Косвенный метод измерения сопротивлений легко реализовать, но он имеет невысокую точность (она ограничена классом точности применяемых приборов). При этом требуется знать сопротивление используемых средств.

Непосредственные измерения сопротивлений осуществляют при помощи омметров и мегометров.

Омметры - приборы непосредственной оценки, позволяющие измерять сопротивления до нескольких килоом. Магнитоэлектрический механизм И, используемый в омметре, можно включать с измеряемым резистором последовательно (рис. 13, а) или параллельно (рис. 13, б). Указатель прибора предварительно устанавливают на нулевое деление переменным резистором R и при замкнутой (рис. 13, а) или разомкнутой (рис. 13, б) кнопке К. Сопротивление отсчитывают непосредственно по шкале прибора при противоположном положении кнопки.

Большое распространение получили омметры, собранные по последовательной схеме, так как диапазон их показаний значительно шире, чем у омметров, собранных по параллельной схеме. В омметре, собранном по последовательной схеме, начальное значение шкалы расположено справа.

Недостаток рассмотренных схем непосредственного измерения сопротивлений заключается в том, что в этих схемах показания приборов зависят от напряжения источника питания. Поэтому омметры часто собирают с магнитоэлектрическими логометрами (рис. 14). Такие приборы называют мегаомметрами. В этом случае для питания используют сеть постоянного тока или специальный встроенный генератор.

Большие сопротивления (до 10¹⁵ Ом) измеряют непосредственно электронными приборами — тераомметрами.

а) б)

Рис. 13. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы омметра

Рис. 14. Схема мегаомметра

В лабораторных и производственных условиях для измерений сопротивлений широко используют методы сравнения с мерой, в частности, мостовой и компенсационный методы.

Одинарный мост постоянного тока - четырехполюсник, составленный из активных резисторов (рис. 15). В питающую диагональ ВД включен источник питания. АС - измерительная диагональ моста, в которую включается указатель равновесия УР - магнитоэлектрический или электронный прибор. Напряжение U _АС может быть равно нулю (то есть отсутствие тока I _v через указатель равновесия) при условии U _DA = U _DС; U _BA = U _BС. Через параметры схемы (рис. 15) эти условия выражаются следующим образом: I ₁ R ₁ = I ₂ R ₂ и I ₃ R ₃ = I ₄ R ₄. По первому закону Кирхгофа при = 0, I ₁ = I ₄ и I ₂ = I ₃. С учетом этого I ₁ R ₄ = I ₂ R ₃ и I ₁ R ₁ = I ₂ R ₂.

Условия равновесия одинарного моста постоянного тока определяются в результате деления полученных равенств, то есть

или , (15)

откуда , то есть для равновесия моста необходимо, чтобы были равны между собой произведения сопротивлений противоположных плеч моста.

Рис. 15. Схема одинарного моста постоянного тока

Рис. 16. Схема двойного моста постоянного тока

Равновесие моста достигается изменением сопротивления одного или нескольких плеч. Мост обладает высокой чувствительностью к изменению сопротивления любого из плеч. Чувствительность приборов, в которых использованы схемы моста, определяется произведением S = S _м S _ур, где S _м - чувствительность мостовой схемы; S _ур - чувствительность указателя равновесия.

Оптимальный режим мостовой цепи, с точки зрения ее чувствительности и потребления энергии, получается при симметрии R ₁ = R ₄ и R ₂ = R ₃. Одинарные мосты постоянного тока получили широкое распространение для измерения сопротивлений и различных неэлектрических величин. Использование одинарных мостов для измерения малых сопротивлений связано со значительными погрешностями. Они возникают за счет влияния сопротивлений соединительных проводов и контактов, которые могут иметь одинаковый порядок с измеряемыми.

Двойной мост постоянного тока - разновидность мостовых схем, составленных из активных резисторов (рис. 16). Рассматривая состояние изображенной цепи при равновесии (I _ур = 0). По второму закону Кирхгофа можно написать для двух контуров следующие уравнения:

I ₁ R ₂ - I ₂ R ₄ - I ₃ R _об = 0,

I ₁ R ₁ - I ₂ R ₃ - I ₃ R _x = 0.

Для упрощения анализа считаем, что R ₁ = R ₃ и R ₂ = R ₄.

Тогда I ₁ R ₂ - I ₂ R ₂ - I ₂ R _об = 0, I ₁ R ₁ - I ₂ R ₁ - I ₃ R _x = 0.

В результате решения этих уравнений относительно R _x получим:

, (16)

где R _x - сопротивление неизвестного резистора; R _об - сопротивление образцового резистора.

Анализ выражения (16) показывает, что для измерения неизвестного сопротивления достаточно определить отношение (а не абсолютные значения) сопротивлений R ₁ / R ₂ и R ₃ / R ₄. Значение сопротивления образцового резистора R _об, включенного в схему моста, при измерениях остается неизменным.

Для уравновешивания двойного моста одновременно регулируют пару сопротивлений, например, R ₁ и R ₃ или R ₂ и R ₄. Для уменьшения влияния на точность измерений соединительных проводов и контактов сопротивления резисторов R ₁, R ₂, R ₃ и R ₄ не должны быть меньше 10 Ом. Образцовые резисторы обычно выполняют четырехзажимными. Чувствительность двойного моста зависит от чувствительностей указателя равновесия и схем, а также от силы рабочего тока I _р. Двойные мосты постоянного тока применяются в основном для измерения сопротивлений от 1 до 10^-6 Ом. Современные приборы для измерения сопротивлений постоянного тока изготовляют в виде одинарно-двойных мостов с встроенными или выносными гальванометром и источником питания.

При использовании двойного моста постоянного тока искомое сопротивление рассчитывают по известному образцовому сопротивлению и отношению плеч на основании формулы (16). Целесообразно выбирать двойной мост, у которого сопротивление образцового резистора одного порядка с измеряемым. При этом достигается наивысшая чувствительность и точность измерений.

Характерная особенность двойных мостов - это наличие в них четырехконтактных образцовых и измеряемых резисторов.

Компенсационный метод измерения сопротивлений при помощи потенциометров дает наиболее точные результаты. Образцовый R _об и измеряемый R _x резисторы включены последовательно в цепь постоянного тока. По падениям напряжения на образцовом U _об и измеряемом U _x резисторах рассчитывают неизвестное сопротивление

.

Измерение сопротивления изоляции

Контроль за состоянием изоляции является весьма важным вопросом эксплуатации электроустановок. Изоляция в процессе работы подвергается воздействию ряда факторов, приводящих с течением времени к ее старению, выражающемуся в снижении электрической и механической прочности.

Основной причиной, вызывающей старение изоляции, является нагревание током нагрузки и особенно пусковым током двигателей, токами короткого замыкания и т.п.

Контроль за величиной сопротивления изоляции (выражается сотнями тысяч Ом) сводится к измерению ее величины в процессе разработки, производства и эксплуатации. Для измерений применяются чаще всего специальные приборы (как электромеханические, так и электронные), носящие название мегаомметров и тераомметров.

Качество изоляции силовых и осветительных установок чаще всего проверяется посредством измерения их сопротивления мегаомметром с напряжением питания 100, 500 или 1000 В.

Сопротивление изоляции двухпроводной цепи можно рассматривать состоящим из ряда параллельно соединенных резисторов, распределенных по ее длине. Если цепь не находится под напряжением, то мегаомметром делают два измерения для одного и другого провода (рис. 17). При этом показания прибора будут равны сопротивлению изоляции соответствующего провода или меньше его. Полученное значение R из должно удовлетворять требованиям правил устройства электроустановок при включенном приемнике энергии. Измерение сопротивления изоляции трехфазных цепей приведен в [7, с. 148].

Рис. 17. Схема включения мегаомметра в двухпроводную цепь

Измерение сопротивления заземления

Заземление - электрическое соединение элементов электрических установок с заземляющим устройством. Заземляющее устройство - это совокупность заземлителя, находящегося в непосредственном соприкосновении с землей, и соединительных проводов. Сопротивление заземлителя определяют по отношению его потенциала (напряжения на нем) к силе тока, проходящего через заземлитель в землю при повреждении изоляции установки. Сопротивление заземления нормируется правилами устройства электроустановок. Например, сопротивление заземляющих устройств электроустановок напряжением до 1000 В с установленной мощностью до 100 кВА должно быть не более 10 Ом, а при большей мощности - не более 4 Ом.

Сопротивление заземления измеряют различными методами. Косвенно сопротивление заземления определяют по показаниям амперметра и вольтметра, включенных в цепь переменного тока (рис. 18). Использование для измерений источника переменного тока позволяет уменьшить погрешности из-за поляризации и электролиза почвы.

Неизвестный Х и вспомогательный В заземлители включены во вторичную цепь трансформатора напряжения. В зоне нулевого потенциала (рис. 18) размещен потенциальный зонд 3 для включения вольтметра (на рисунке показано распределение потенциала для одной полуволны тока). Сопротивление испытуемого заземлителя определяют по показаниям приборов:

.

б)

а)

Рис. 18. Схема измерения сопротивления заземления (а) и

кривая распределения потенциала между заземлителями (б)

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя следующие приборы:

1. Приборы для измерения средних сопротивлений:

а) одинарный мост постоянного тока МО-62;

б) комбинированный прибор Ц4341 с встроенным в него омметром.

2. Приборы для измерения сопротивления изоляции:

а) мегаомметр М1101М;

б) измеритель сопротивления изоляции М4124;

в) тераомметр Е6-13А.

3. Приборы для измерения сопротивления заземляющих устройств:

а) измеритель сопротивления заземляющей проводки типа М372;

б) измеритель типа М416.

4. Микроомметры Ф415 и Е6-18/1.

5. В качестве объектов измерения используется магазин сопротивлений КМС6, набор выпускаемых промышленностью сопротивлений от единиц Ом до единиц МОм, отрезки заземляющих проводников, калорифер, шунт амперметра.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство лабораторной установки.

2. Изучить принцип действия используемых в лабораторной работе приборов.

3. По заданию преподавателя выполнить измерение значений малых, средних и больших сопротивлений, сопротивления заземляющих проводников, сопротивления изоляции.

4. Произвести запись результатов измерений в табл. 4, обратив особое внимание на указание погрешностей. Количество значащих цифр в записи результата измерения должно быть на единицу больше числа верных цифр.

Таблица 4

№ п/п	Тип элемента	Номинал значен., Ом	Относит. отклон. %	Действ. значен., Ом	Абсол. отклонение	Действ. относит. откл., %	Заключение

5. Рассчитать отклонение полученного значения от номинала, указанного на корпусе сопротивления. В записи погрешности следует указывать не более двух значащих цифр.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Принципиальные электрические схемы, поясняющие принцип действия приборов, используемых в лабораторной работе (рис. 12, 13, 15, 16).

3. Результаты измерения сопротивлений с указанием погрешности полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Как условно подразделяют омические сопротивления?

2. Как измерить сопротивление с использованием вольтметра?

3. Как измерить сопротивление с использованием амперметра?

4. Как измерить сопротивление с использованием двух приборов - амперметра и вольтметра?

5. В каких случаях при косвенном измерении сопротивления методом двух приборов вольтметр следует включать до амперметра, а в каких наоборот - после амперметра?

6. Поясните принцип действия омметров при включении измеряемого сопротивления последовательно или параллельно магнитоэлектрическому механизму.

7. Поясните принцип действия мегаомметра.

8. Поясните принцип действия и работу одинарного моста постоянного тока при измерении сопротивлений.

9. Запишите условие равновесия схемы одинарного моста.

10. За счет чего можно повысить чувствительность при измерении сопротивлений мостовыми приборами?

11. Поясните работу двойного моста постоянного тока.

12. За счет чего можно повысить чувствительность двойного моста?

13. В каких случаях применяют одинарные мосты, а в каких случаях - двойные?

14. Зачем необходимо измерение сопротивления изоляции?

15. Как измеряют сопротивление изоляции цепей, не находящихся под напряжением?

16. Почему надо измерять сопротивление заземления?

17. Каким должно быть сопротивление заземления?

18. Как можно определить сопротивление заземления методом амперметра и вольтметра переменного тока?

19. По указанию преподавателя произведите измерения сопротивления с использованием одного из изученных приборов?

Литература: [1, с. 284 - 287, 2, 7, с. 148, 8].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособ. М.: Высш. шк., 1989. 384 с.

2. Электрические измерения / Под ред. В. Н. Малиновского, М.: Энергоатомиздат, 1985. 416 с.: ил.

7. Кравцов А.В. Электрические измерения. М.:Агропромиздат, 1988,239с.