Пристрій для електронної компенсації похибки вимірювальних трансформаторів напруги

1. Пристрій для електронної компенсації похибки вимірювальних трансформаторів напруги, що складається з першого трансформатора напруги, первинна обмотка якого підключена до джерела вимірюваної напруги, а вторинна обмотка з'єднана першим виводом з навантаженням і з першим виводом вторинної обмотки другого трансформатора напруги, другий вивід вторинної обмотки другого трансформатора напруги підключений до першого входу операційного підсилювача, який відрізняється тим, що в нього C2 2 (19) 1 3 додаткового маленького трансформатора струму, що складається з тороїдального магнітопроводу, на якому три обмотки включені таким чином, що у вихідній обмотці тече струм, який дорівнює сумі струмів первинної та вторинної обмоток ВТН з необхідними коефіцієнтами. Цей струм тече на вхід операційного підсилювача, в ланцюг зворотного зв'язку якого включено резистор і індуктивність. Недоліком цього рішення є зв'язок на додатковому осерді обмоток, які пов'язані з високою та вихідною напругою ВТН, що висуває вимоги до ізоляції у випадку з'єднання у трикутник обмоток трьохфазного трансформатору або при з'єднанні обмоток у зірку в мережі з ізольованою нейтраллю та необхідність ОП створювати весь струм навантаження. Найбільш близьким по істотних ознаках до пропонованого (прототип) є пристрій компенсації [по fig.1 статті ТА. Deacon Comments on "Electronic Error- Compensation of a Voltage Transformers" IEEE Transactions on instrumentation and measurement, Vol.IM-29, NO.1, March 1980, p.7980], який складається з ВТН, первинна обмотка якого підключена до джерела вимірюваної напруги, додаткового вимірювального трансформатора напруги (ДВТН), первинна обмотка якого підключена до відповідних затискачів первинної обмотки ВТН, первинна і вторинна обмотки ДВТН намотані на магнітопровід ВТН і на додатковий магнітопровід, один кінець вторинної обмотки ДВТН з'єднаний з одним кінцем вторинної обмотки ВТН, другий кінець вторинної обмотки ДВТН підключений до одного входу ОП, другий вхід якого підключений до загальної точки пристрою, а вихід ОП з'єднаний із другим кінцем вторинної обмотки ВТН. У прототипі ДВТН повторює ВТН і підключений до входу ОП, а значить він працює на холостому ході. ОП зрівнює його вихідну напругу з напругою на навантаженні та додає напругу до виходу ВТН так, що напруги на входах ОП будуть рівні. Таким чином, вихідна напруга ВТН не залежить від навантаження. Недоліки прототипу: по-перше, нестандартна і складна конструкція ТН; по-друге, зниження надійності пристрою через необхідність ОП створювати весь струм навантаження, а при виході з ладу ОП усе навантаження буде знеструмлене; по-третє, хоча струм намагнічування другого трансформатора напруги значно менше струму намагнічування першого трансформатора напруги, він не выключен повністю і впливає на похибку; по-четверте, у випадку трьохфазного виконання трансформатору загальна точка трьох ОП повинна бути з'єднана з загальною точкою навантаження трьохфазного ВТН, що може додатково збільшити струм ОП. Задачею винаходу є створення пристрою, який би підвищував точність вимірювання напруги, не вимагаючи змін у конструкції існуючих стандартних ВТН. Пропонований пристрій, що складається з ВТН, первинна обмотка якого підключена до вимірюваної напруги, ДВТН, ОП, один вхід якого підключений до одного кінця вторинної обмотки ДВТН, а другий вхід ОП до регульованого 81842 4 резистора дільника напруги вторинної обмотки ВТН, вихід ОП підключений до одного кінця первинної обмотки ДВТН. Запропонований пристрій має зовсім інший принцип дії в порівнянні з прототипом. Такий принцип дії забезпечує надійність пропонованого пристрою, що дуже важливо в енергетиці. ВТН одночасно може живити засоби захисту і вимірювання, які не вимагають високу точність, а ДВТН створювати високоточне значення напруги для точних вимірювальних пристроїв (наприклад, мікропроцесорних лічильників). Пропонований пристрій, зображений на Фіг.1, містить ВТН-1, ОП-4, регульований резистор 3 і резистор 2 дільника напруги вторинної обмотки ВТН-1, ДВТН-5, опір навантаження ВТН-1 (Rh) резистор 6. Пристрій працює наступним чином. 1. До первинної обмотки ВТН-1, точність якого підвищується, підключене джерело вимірюваної напруги U1, з регульованого резистора 3 дільника напруги вторинної обмотки ВТН-1 частина напруги U2 подається на один вхід ОП-4, де вона порівнюється з напругою U3 вторинної обмотки ДВТН-5 на іншому вході ОП-4. При визначеному співвідношенні параметрів двох трансформаторів напруга Uвих на первинній обмотці ДВТН-5 буде пропорційна вимірювальній напрузі U1 на первинній обмотці ВТН-1: · · (1) U = k U1 k= де W2 W4 n, W1 W3 R3 R3 + R2 - коефіцієнт дільника напруги, де де W 1,W4 - число витків первинних обмоток ВТН-1, ДВТН-5 відповідно; W2,W3 - число витків вторинних обмоток ВТН1, ДВТН-5 відповідно; На підставі викладень наданих [в учбовометодичному посібнику В.У.Кизилов "Проектування вимірювальних трансформаторів струму та напруг, трансреакторів та дроселів змінного струму пристроїв автоматики енергосистем". - Харків: ХДПУ. 2000. - 73с. Рос.мовою], фазова похибка трансформатору, яка є визначальною, може бути виражена наступним чином: r1l Dj = b1 (2) wW2 2 S де Δφ - фазова похибка ВТН; r1, l, S, - опор первинної обмотки, довжина лінії магнітного поля, поперечний переріз магнітопровіда ВТН; β1 - функція, що залежить від амплітудного значення індукції Вm (β=f(Bm)) ВТН; ω - кутова частота. При рівності фазових похибок ВТН-1 та ДВТН5 згідно з (2), при рівності їх номінальних значень індукцій і виконання магнітопроводів двох трансформаторів з однакової сталі маємо наступні n= 5 81842 співвідношення параметрів двох трансформаторів, при яких виконується (1): lm1l1 lm2l2 = (3) k m1Q01S1 k m2Q02S2 · W4 = Uвихmн W1S1 (4) · U1mн S2 де l1,l2, S1, S2 - довжини ліній магнітних полів, поперечні перерізі магнітопроводів ВТН-1, ДВТН-5 відповідно; km1, km2, Q01, Q02 - коефіцієнти заповнення міддю вікон магнітопроводів, перетин вікон магнітопроводів ВТН-1 і ДВТН-5 відповідно; lm1, Im2 - середня довжина вітка міді первинних обмоток ВТН-1 і ДВТН-5 відповідно; U1mн,Uвиxmн - амплітудні значення номінальних напруг первинних обмоток ВТН-1 і ДВТН-5 відповідно. 2. Пристрій компенсації дозволяє усунути вплив опору навантаження для ВТН-1-Rн. При наявності опору навантаження має місце похибка від спадання напруги від струму навантаження, в цьому випадку вторинна напруга ВТН-1 U2 буде приблизно дорівнювати (як свідчать дослідження): · · W2 · (1) U1- rS l 2 W1 де rΣ - загальний опір, який враховує опір первинної і вторинної обмоток ВТН-1; U2 » · l 2 - струм вторинної обмотки обумовлений опором навантаження. Тоді: · · ВТН-1, (2) Uвих ¹ k U1 · Спад напруги rΣ l 2 можна компенсувати спадом напруги на резисторі R7 (Фіг.2), так що, при R7=nrΣ будемо мати: · · · · W U2 - rS l 2 ) l 2 R7 = U3 n( 2 W1 · (3) де U3 - вторинна напруга ДВТН-5. Необхідно відмітити малий вплив спадання напруги R7I2 на напругу навантаження, при включенні резистора R7 (Фіг.2) у вторинну обмотку ВТН-1. Якщо при заданому навантаженні загальна похибка ВТН дорівнює 0.4%, а похибка від спадання напруги rΣІ2 складає 50% від загальної похибки, тобто 0.2%, а з дільника напруги ми знімаємо 1¸5В, тобто у 100¸20 раз менше напруги виходу, отже похибка, яка вноситься R7I2 дорівнює 0.002%¸0.01% і практично не впливає на загальну похибку трансформатора напруги. Таким чином, таке усунення впливу навантаження можна використовувати тільки для однофазних вимірювальних трансформаторів напруги. 6 3. Пристрій компенсації дозволяє усунути вплив опору навантаження для трьохфазних трансформаторів, коли відсутній провід вороття струму. В цьому випадку спад напруги rΣІ2 можна компенсувати включенням трансформатора струму (ТТ-7) послідовно з вторинною обмоткою ВТН-1, навантаженого на резистор R8 (Фіг.3) так, що: · · (1) nrS l 2 = l 3 R 8 · · W5 l 2 W6 - струм вторинної обмотки ТТ-7, де де W 5, W6 - число витків первинної і вторинної обмотки ТТ-7. Тоді: l3 = · · · · W U1 (2) - nrS l 2 + l 3 R8 = U3 n 2 W1 Похибка ТТ не буде впливати на точність компенсації впливу навантаження. Так при похибці ТТ 1% загальна похибка компенсації буде дорівнювати 0.002%. В результаті за п.2 і за п.3 виконується співвідношення: · · (3) Uвих = k U1 Таким чином, за допомогою пропонованого пристрою можна отримати високу точність вимірювання напруги для частини навантаження або умонтувати пропоноване в конкретний вимірювальний пристрій, у зв'язку з цим, виникає можливість практично без зниження надійності атестувати засіб вимірювання, враховуючи похибку високовольтного вимірювального трансформатора напруги. Існуючий стандарт вихідної напруги ВВТН 100/ 3 В може бути доданий значеннями в межах 5¸10В, тоді заводи можуть випускати ВТН з запропонованою добавкою, яка буде настроюватися на заводі і буде доступна усім споживачам при підключені через повторювач. Експериментальні дослідження, які були проведені при U1=380В показали, що досягається зниження похибки вимірювання U1 не менш ніж в 5 разів. 7 81842 8