Пристрій для вимірювання втрат напруги у вторинному ланцюзі трансформатора напруги

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для оцінки придатності вторинних ланцюгів трансформатору напруги для включення лічильників електричної енергії. Відомий пристрій для вимірювання втрати напруги, який містить вольтметр та довгий вимірювальний одножильний кабель, через який вольтметр першим входом приєднаний до початку вторинного ланцюга трансформатору напруги, наприклад, до клеми вторинної обмотки трансформатору напруги. Др угий вхід вольтметру вмикнений безпосередньо до кінця вторинного ланцюга, наприклад, до клеми лічильника [див. "Инструкцию по проверке трансформаторов напряжения и их вторичных цепей" М, "Союзтехенерго",1979]. Крім цього пристрій містить фазометр, який вимірює кут між вектором струму у прямому або зворотному дроті вторинного ланцюга та вектором напруги на початку електричного ланцюга трансформатора напруги. Втрата напруги обліковується як сума косінусних складових вимірюваних падінь напруги на прямому та зворотному дротах. Однаково суттєвими ознаками цього аналогу і вина ходу є вимірювальний кабель та вимірювальний блок, який містить в собі вольтметр та фазометр. Недоліком пристрою є низька перешкодозахисність, яка зв'язана з тим, що електричний контур, який утворюється вторинним ланцюгом трансформатору напруги, вимірювальним одножильним кабелем та вольтметром, пронизується на території підстанції, де проводжуються вимірювання, змінним електромагнітнім полем, в основному, промислової частоти. Це поле наводить в сформованому вимірювальному контурі змінну е.д.с, яка може бути на порядок більш, ніж втрата напруги у вторинному ланцюгу трансформатору напруги, яка викликається струмом навантаження і впливає на показання лічильника. Наведена е.д.с. на лічильник не впливає, тому що вона утворюється тільки на час вимірювань та тільки у ланцюгу вольтметру. Найбільш близьким до технічної суттєвості є пристрій для вимірювання втрати напруги, який містить прямий та зворотний розділювальні трансформатори, у яких початки первинних обмоток приєднані відповідно до кінців прямої та зворотної жил вимірювального кабелю, що утворюють виту пару, а кінці первинних обмоток підключені відповідно до кінців прямого та зворотного дротів вторинного ланцюга трансформатору напруги, причому вторинні обмотки прямого та зворотного розділювальних трансформаторів з'єднані між собою послідовно-зустрічно для формування сумарного падіння напруги на & Uпад прямому та зворотному дротах вторинного ланцюга трансформатору напруги і підключені до вимірювально-обчислювального блоку, у якому через сітьовий розділювальний трансформатор & & U U вимірюються напруги на кінцях c , або початках ТН прямого та зворотного дротів вторинного ланцюга, & & & & U U U U напруга пад , визначається кут між векторами пад та c або ТН і розраховується втрата напруги за формулою [див. заявку на винахід №2002021579 від 26.02.2002 "Пристрій для вимірювання втрати напруги у вторинному ланцюгу трансформатору напруги"] DU»Uпад cosa. Недоліком пристрою є низька точність вимірювань DU при значеннях кута а, близьких до 90°, і більших Uпад . Наприклад, при погрішності визначення a, яка дорівнює 1°, та істинному значенні a=90° можна одержати погрішність вимірювання DU=0,017Uпад (при вимірюваному a=89°). При Uпад =2В погрішність визначення втрати напруги складе 34мВ. В той же час припустима втрата фазної напруги DU=0,0025Uф =0,0025´100Ö3=0,144(В)=144(мВ), де Uф - номінальна фазна напруга трансформатору напруги. Винахід, який заявляється, направлений на звеличення точності вимірювання втрати напруги при кутах a, близьких до 90°. У основу винаходу поставлена задача виключення вимірювання кута a. Ця мета досягається тим, що у вимірювально-обчислювальному блоці до вторинної обмотки сітьового вимірювального трансформатору приєднаний вхід ланцюга робочого струму прямокутно-координатного компенсатору змінного струму, вхід вимірювання якого підключений до послідовно-зустрічно з'єднаним вторинним обмоткам прямого та зворотного розділювальних трансформаторів, причому у прямокутно-координатному компенсаторі змінного струму вхід ланцюга робочого стр уму утворений об'єднаними входами першого підсилювача з коефіцієнтом підсилення, який регулюється у діапазоні -1¸+1, і інтегратора, зроблених, наприклад, з використанням операційних підсилювачів, причому вихід інтегратора підключений до входу др угого підсилювача з коефіцієнтом підсилення, який регулюється у діапазоні -1¸+1, а вхід вимірювання утворений входом третього підсилювача з коефіцієнтом підсилення, який регулюється у межах від одиниці і вище, вихід якого приєднаний до третього входу суматору, у якого перший та другий входи підключені відповідно до входів першого та другого підсилювача, а вихід - до нуль-індикатору, причому вихід першого підсилювача приєднаний додатково до вольтметру, який використовується для вимірювання втрати напруги. Винахід, який пропонується, пояснюється за допомогою Фіг.1, 2 та 3. На Фіг.1 представлена схема вимірювання DU у випадку відліку кута a від вектора напруги на & U лічильнику c . На Фіг.2 зображені векторні діаграми напруг у вторинному ланцюгу трансформатору напруги, які відображають рівняння & & & U =U +U ТН с пад На Фіг.3 зображені векторні діаграми, які показують процес настроювання пристрою вимірювання втрати напруги. Розглянемо довільний двопровідний електричний ланцюг, який з'єднує вторинну обмотку трансформатору напруги 1 (Фіг.1) і складається з прямого 2 та зворотного 3 дротів та лічильника 4. Втрата напруги на лічильнику сумується з втрат напруги на прямому дроті електричного ланцюга та зворотному. Тому для вимірювання втрати напруги на лічильнику 4 використовується вимірювальний кабель 5 з витими прямою 6 та зворотною 7 жилами. Підсумовування падінь напруги на прямому та зворотному дротах & & U U електричного ланцюга в им.п та в им.з здійснюється у пристрою для вимірювання втрати напруги 8 за допомогою прямого 9 та зворотного 10 розділювальних трансформаторів. Начала первинних обмоток прямого 9 та зворотного 10 розділювальних трансформаторів приєднані відповідно до кінців прямої 6 та зворотної 7 жил вимірювального кабелю 5. Кінці первинних обмоток прямого та зворотного розділювальних трансформаторів підключені відповідно до кінців прямого 2 та зворотного 3 дротів вторинного ланцюга трансформатору напруги 1. Вторинні обмотки прямого та зворотного розділювальних трансформаторів з'єднані між собою послідовно-зустрічно і підключені до входу вимірювання 11 прямокутно-координатного компенсатору змінного струму 12. До входу ланцюга робочого струму 13 прямокутно-координатного компенсатору змінного струму підключена вторинна обмотка сітьового розділювального трансформатору 14, який забезпечує гальванічну розв'язку з лічильником 4, до якого приєднана його первинна обмотка. Вхід ланцюга робочого струму прямокутно-координатного компенсатора змінного струму утворений об'єднаними входами першого підсилювача 15 з коефіцієнтом підсилювання, який регулюється у діапазоні -1£kсин£1, та інтегратора 16, вихід якого підключений до входу другого підсилювача 17 з коефіцієнтом підсилювання, який регулюється у діапазоні -1£kкв£1. Перший підсилювач 15 та інтегратор 16 разом з другим підсилювачем 17 являють собою відповідно синфазну і квадратну вимірювальні ланцюги. Вхід вимірювання 11 утворений входом третього підсилювача 18 з коефіцієнтом підсилення kпад , який регулюється у межах від одиниці та вище. Виходи усі х трьох підсилювачів підключені до суматору 19, вихід якого приєднаний до нуль-індикатору 20. Вихід першого підсилювача підключений додатково до вольтметру 21, за допомогою якого вимірюється втрата напруги DU. Для підсилювачів 15 і 17 з коефіцієнтом підсилювання, який регулюється у діапазоні -1¸+1, та інтегратора 16 можуть бути використані типові схеми на основі операційних підсилювачів [див. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х томах. - М.: Мир, 1983]. Суматор 19 та третій підсилювач 18 також можуть бути зроблені на основі операційних підсилювачів, причому суматор і третій підсилювач можуть бути реалізовані на одному операційному підсилювачі, у якого організовані три входи, причому по перших двох входа х, до яких підключаються виходи першого 15 и другого 17 підсилювача, коефіцієнт підсилення вибирається рівним одиниці, а по третьому входу, який у даному випадку буде безпосередньо входом вимірювання прямокутно-координатного компенсатора. змінного струму, коефіцієнт підсилення kпад повинен регулюватися плавно або дискретно від одиниці та вище. Нуль-індикатор 20 утримає фільтр, налагоджений на промислову частоту. Це дозволяє подавити постійну складову, яка може бути на виході інтегратора 16, і вищі гармоніки в напрузі DUпад . & U Сформуємо ортогональну систему координат з початком, який збігається з початком вектору пад & & U U (Фіг.3), у якій ось абсцис збігається з напрямком вектору с (Фіг.2, а) або ТН (Фіг.2, б) і відповідає синфазному вимірювальному ланцюгу, який утворений першим підсилювачем 15. Синфазна напруга на виході підсилювача 15 Uсин=kсинkтUc=kсинUв.м. або Uсин=kс инkтUТН=kсинUв.м може змінюватися у межах Uв.м £Uсин£Uв.м . Коефіцієнт kт, який є коефіцієнтом трансформації сітьового розділювального трансформатору 14, підбирається таким чином, щоб напруга U в.м була рівною максимально можливому значенню Uпад , яке на практиці звичайно складає 2В. Ось ординат (мнима ось) ортогональної системи відповідає квадратурному вимірювальному ланцюгу, утвореному інтегратором 16 та другим підсилювачем 17. На вході інтегратора 16 існує напруга uв=Uв.м sіnwt. Після інтегрування виходить uин=Uинcos(wt-90°)+С, де С - постійна інтегрування; Uин=kинUв.м Іw; k ин=-w - нерегулюємий коефіцієнт підсилення інтегратора, при якому виходить kин=Uв.м cos(wt+90o)+С. Постійна інтегрування достатньо легко пригнічується шляхом застосування фільтру у н уль-індикаторі. Квадратурна напруга Uкв=kквUв.м на виході підсилювача 17 може змінюватися, як і синфазна напруга, у межах -Uв.м £Uкв£Uв.м . При змінюванні коефіцієнта підсилення підсилювачів 15 та 17 від крайніх значень kсин=-1 и kкв=-1 у бік звеличення напруги Uсин та Uкв будуть приймати початкові значення, які дорівнюють -Uв.м , а потім змінюватися відповідно до змінювань kсин та kкв. Почнемо спочатку збільшувати kкв. Напруга Uкв на виході другого підсилювача 17 буде мати ряд від’ємних значень Uкв=-Uкв1,...,=-U кв2, потім перейде через нуль у бік додатних значень. Сума напруг на виході підсилювачів 15 та 17 буде рівна & & U = U = -U - jU ; S S1 син1 кв1 .......... .......... .......... ........ & & US = US 2 = -Uсин1 - jUкв2 . & U Кінець вектору S буде переміщуватися уздовж прямої аб, паралельної осі ординат. Напруга на вході нуль індикатору 20 (на виході суматора 19) прийме послідовні значення & & & & U =U =k U +U ; НИ НИ1 пад пад S1 .......... .......... .......... .......... ... & & & & UНИ = UНИ2 = kпад Uпад + US 2 . & U Кінець вектору НИ буде переміщуватися уздовж прямої pf , паралельної осі ординат. Нарешті, при Uкв=Uкв.3, коли & & US = U S 3 = -U син1 + jUкв3 напруга на ви ході нуль-індикатора буде мати мінімальне значення & & & & UНИ = UНИЗ = k падUпад + US3 і буде співпадати з віссю абсцис, тобто з напрямком вектору Uв.м . Після цього треба змінювати синфазну напругу Uсин на ви ході першого підсилювача 15, збільшуючи kсин. Напруга Uсин прийме ряд від’ємних значень Uсин=-Uсин1 ,…, -U син2 . Тоді сумарна напруга & & U = U = -U - jU ; S S3 син1 кв3 .......... .......... .......... ........ & & US = US 4 = -Uсин2 - jUкв 3. & U Кінець вектору S в даному випадку буде переміщуватися уздовж прямої mn, паралельної осі абсцис. Напруга на вході нуль-індикатору 20 буде мати значення & & & & U =U =k U +U ; НИ НИ3 пад пад S3 .......... .......... .......... .......... ... & & & & UНИ = UНИ2 = kпадUпад + US 4 . & U Кінець вектору НИ почне переміщува тися уздовж осі абсцис, безперервно зменшуючись по модулю. Накінець, при Uсин=Uсин3 він буде дорівнювати н улю & & & & & U =U =k U +U =k U -U + НИ НИ 5 пад пад S5 пад пад син3 + jUкв3 = 0 Так як & Uпад = Uпад cos a + jUпад sina то має місце kпад (Uпад cosa+jUпад sina)=Uсин3-jUкв3 і kпад Uпад cosa=kпад DU=Uсин3. Тоді DU=Uсин3/kпад. Отже, напруга на виході першого підсилювача 15, яка вимірюється вольтметром 21, у момент становлення квадратури пропорційна втраті напруги. Для визначення втрати напруги достатньо показники вольтметру 21 розділити на коефіцієнт підсилення третього підсилювача kпад . Коефіцієнт kпад роблять більше одиниці, коли Uпад має малі значення, і вибирають таким, щоб величина kпад Uпад була близька до Uв.м . При цьому можна використовувати усю шкалу вольтметру 21 та здійснювати більш плавний підбір коефіцієнтів kсин та kкв у першого 15 та др угого 17 підсилювачів. & U Якщо кут a відлічується від вектору напруги ТН на вторинній обмотці трансформатору напруги (Фіг.2, & U б), то ортогональна система координат прив'язується до напрямку вектору ТН . Використання прямокутно-координатного компенсатору змінного струму, у якого вхід ланцюга робочого струму підключений через сітьовий вимірювальний трансформатор до лічильнику або до вторинної обмотки трансформатору напруги, а вхід вимірювання - до послідовно-зустрічно з'єднаним вторинним обмоткам прямого та зворотного розділювальних трансформаторів, дозволяє проводити безпосередньо вимірювання втрати напруги без вимірювання кута між вектором падіння напруги і вектором напруги на лічильнику або вторинній обмотці трансформатору напруги.