Способ измерения переменного напряжения вариационным резистивным делителем с индуктивным плечом

Способ измерения переменного напряжения вариационным резистивным делителем с индуктивным плечом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного напряжения, преимущественно от 10 кВ до 1500 кВ.

Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, уменьшении массогабаритных показателей, увеличении точности измерений и увеличении надежности эксплуатации в части высоковольтной изоляции. Устройство позволяет произвести точное измерение переменного напряжения, используя в делителе напряжения калиброванные сопротивления только в низковольтном плече, при этом высоковольтное плечо может иметь любое сопротивление, в том числе реактивное, и выполняется в виде индуктивности.

Предшествующий уровень техники

Переменное высоковольтное напряжение традиционно измеряется индукционными и емкостными трансформаторами напряжения.

Принцип действия индукционных трансформаторов напряжения основан на взаимной индукции двух обмоток с трансформацией величины напряжения на первичной обмотке в напряжение на вторичной в зависимости от их характеристик. Недостатком индукционных трансформаторов напряжения является необходимость электрической изоляции вторичной обмотки от первичной не только на величину измеряемого высоковольтного напряжения, но и выше. С учетом возможных коммутационных перенапряжений изоляция вторичной обмотки от первичной осуществляется на величину, в 4-5 раз большую рабочего напряжения. То есть для трансформаторов напряжения 110 кВ прочность изоляции должна быть не меньше 450-480 кВ. С ростом изоляционных расстояний увеличиваются в квадрате размеры трансформатора, а масса увеличивается пропорционально третьей степени. Происходит существенное удорожание измерительного устройства.

Этого недостатка лишены емкостные трансформаторы тока. Принцип их работы основан на емкостном делителе напряжения. Основным недостатком трансформаторов тока на основе емкостного делителя является необходимость применения прецизионных конденсаторов на полное измеряемое напряжение в высоковольтном и в низковольтном плече. Конденсаторы также должны обладать приемлемой емкостью для выдачи необходимой мощности для управления аварийной и релейной автоматикой. Конденсаторы емкостного делителя напряжения не должны изменять емкость вследствие температурных воздействий, атмосферных воздействий, перепадов напряжения и т.д.

Резистивные делители напряжения в качестве устройств для измерения тока применяются в основном в лабораторных установках и оборудовании, эксплуатирующемся не на открытой местности. Это связано с поверхностными токами утечки, которые вне помещений могут значительно изменяться в соответствии с изменениями загрязнения поверхности трансформатора напряжения, атмосферными осадками и другими неконтролируемыми факторами. Поверхностное сопротивление изоляции может со временем значительно меняться из-за воздействия ультрафиолетового солнечного излучения, увеличения влажности окружающего воздуха и др. Внутреннее сопротивление резисторов также может меняться в зависимости от температуры и механических воздействий. Поэтому обеспечить точное значение сопротивления высоковольтного плеча делителя напряжения для оборудования, эксплуатирующегося вне помещения, практически нереально. Исходя из этого резистивные делители напряжения в основном применяют в лабораторных целях, а также для калибровки промышленных трансформаторов напряжения, как в устройстве по патенту SU 935844, 04.11.80, RU 2303273, 23.01.2006.

В изобретении по патенту CS 275447 А, 25.11.1991 приведено устройство для поверки и калибрования делителя высокого напряжения. В низковольтном плече делителя установлен дополнительный прецизионный резистор, являющийся эталонным. Также имеется ключ, который замыкает цепь в обход калиброванного резистора и позволяет замерять значения токов и напряжений на выходе делителя при разном сопротивлении цепи. Таким образом, производится поверка и калибровка делителя напряжения со встроенным эталонным резистором.

В устройстве по SU 355572 от 12.5.1969 г., являющемся прототипом предлагаемого устройства, содержится два калиброванных сопротивления в низковольтной части. Параллельно одному из сопротивлений присоединен ключ. В замкнутом положении ключ выключает из схемы одно из сопротивлений. Измерения производятся при замкнутом и при разомкнутом ключе. Сопротивление низковольтного плеча делителя оказывается в этих случаях разным, по цепи в этих случаях течет разный ток. По измеренному на выходе делителя значению тока (напряжения) определяют измеряемое высокое напряжение.

Погрешность измерения полностью зависит от погрешности резисторов низковольтной части. Сопротивление высоковольтной части, если оно не изменяется, не влияет на результат измерений. Недостатком данного устройства является невозможность применения его для измерения напряжения в промышленности и в открытых распределительных устройствах на электроподстанциях. Так как высоковольтное плечо прототипа выполнено резистивным, для приемлемой работы предлагаемого измерительного устройства требуются достаточно большие токи, проходящие по высоковольтному плечу, что приведет к его нагреву и может привести к пробою. Исходя из этого для целей постоянного измерения значений напряжения в промышленности применяют емкостные трансформаторы тока на основе индуктивных делителей напряжения. У них не происходит нагрев, так как они являются реактивной нагрузкой. Но на параметры назковольтного индукционного плеча таких индукционных делителей напряжения оказывают значительное воздействие сторонние факторы. Это приводит к большой погрешности, а иногда и к невозможности проведения измерений. Таким образом, с одной стороны устройство для измерения напряжения должно быть выполнено на реактивных элементах (индуктивности), с другой стороны - на активных элементах (сопротивлениях). Это противоречие решено в прилагаемом методе измерения.

Цели изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является простой и надежный способ измерения в реальном времени высоковольтного переменного напряжения с использованием резистивного делителя, не зависящего от сопротивления высоковольтного плеча, поверхностной проводимости, токов утечки, и атмосферных воздействий, и индуктивного высоковольтного плеча.

Описание

Решение поставленной цели достигается тем, что способ измерения высокого напряжения с помощью индуктивно-резистивного делителя основан на вариации сопротивления низковольтного плеча на разных полупериодах протекания по цепи переменного тока. При одном направлении ток течет по цепи, имеющей одно сопротивление, при другом направлении ток течет по цепи, имеющей другое сопротивление. Измеренный на выходе делителя ток (напряжение) обрабатывается вычислительной машиной с учетом фазы. В один полупериод величина тока будет соответствовать одному значению параметров делителя, а в другой полупериод будет соответствовать другому значению параметров высоковольтного делителя. Для промышленной частоты 50 Гц в этом случае за одну секунду будет произведено 50 замеров с одним сопротивлением цепи и 50 замеров с другим сопротивлением. За одну секунду 50 раз будут изменены параметры цепи. При этом не будут возникать процессы, свойственные перекоммутации, так как переключения производятся во время прохождения «нуля» фазным напряжением. Температурный режим включаемого-выключаемого сопротивления будет стабильным, так как резистор обладает определенной температурной инерционностью, и изменения температуры за 1/50 долю секунды будут очень незначительными. Резистор будет находиться в «квазистационарном» температурном режиме, на который он выйдет через несколько десятков или сотен циклов включения-выключения.

Сопротивление высоковольтной части при этом способе измерения можно не учитывать. Сопротивление высоковольтного плеча может даже быть не активным, а реактивным. То есть высоковольтное плечо может быть выполнено индуктивным в виде катушки индуктивности, реактора или одной из обмоток силового трансформатора на полное измеряемое напряжение. Индуктивность в высоковольтной части делителя может не быть калиброванной, точной, стабилизированной и постоянной.

Чтобы исключить влияние реактивного сопротивления высоковольтной части на результаты измерения, необходимо, чтобы реактивное сопротивление высоковольтного плеча при разных вариациях активного сопротивления низковольтного плеча оставалось одинаковым. Реактивное сопротивление высоковольтного плеча может даже изменяться, и это не повлечет изменений в результатах измерения. Однако изменения сопротивления высоковольтного плеча должны быть медленными настолько, что этими изменениями за время между соседними циклами вариационного измерения можно было бы пренебречь. Например, для промышленной частоты высоковольтный делитель может изменяться, но скорость этих изменений должна быть настолько мала, чтобы за время 1/50 секунды этими изменениями можно было пренебречь. Все факторы, влияющие на величину реактивного и активного сопротивления высоковольтной изоляции, кроме аварийных, имеют значительно меньшую скорость. Благодаря возможности проводить измерения в реальном времени с частотой, соответствующей частоте переменного тока, и способу, исключающему значение сопротивления высоковольтного плеча делителя, появилась возможность использовать комбинированный вариационный индуктивно-резистивный делитель в качестве измерительного трансформатора тока для эксплуатации вне помещения. Низковольтное плечо делителя при этом необходимо защитить от любых воздействий, изменяющих сопротивление. Так как низковольтное плечо может иметь небольшие размеры и может быть помещено в защищаемое место, это требование легко выполнимо.

Данный способ измерения переменного напряжения найдет применение в устройствах, работающих на основе делителя напряжения при невозможности использования прецизионных сопротивлений для высоковольтного плеча, а также в тех случаях, когда сопротивление высоковольтного плеча может меняться и невозможно применять традиционные делители напряжения.

Способ измерения напряжения вариационным делителем напряжения может быть реализован в различных устройствах. Для управления током в зависимости от направления в качестве элемента с односторонней проводимостью возможно применение, в частности, диодов.

Реализация изобретения и пример устройств, работающих на заявленном методе

На предприятии заявителе разработали несколько устройств, использующих предложенный метод измерения. Ниже приводятся схемы и формулы расчета пяти из них.

Устройство на основе вариационного делителя напряжения содержит высоковольтное индуктивное плечо и два последовательно соединенных сопротивления в низковольтном плече делителя (Фиг.1). Параллельно одному из сопротивлений R1 низковольтного плеча включен элемент с односторонней проводимостью, например диод D1. Ток или напряжение низковольтного плеча делителя снимается с выводов другого сопротивления R2. Устройство работает следующим образом. Переменный ток в первый полупериод протекает по индуктивности Lвx высоковольтного плеча делителя и по двум сопротивлениям низковольтного плеча R1 и R2. Диод D1 в это время закрыт и не проводит ток. Аналого-цифровой преобразователь или осциллограф фиксирует падение напряжение U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, диод открывается D1 и "закорачивает" одно из сопротивлений R1, течет по сопротивлению R2 низковольтного плеча и через индуктивность высоковольтного плеча Lвx. АЦП или осциллограф снимает мгновенные значения падения напряжения на выходе низковольтного плеча делителя во втором полупериоде U2. Так как сопротивление цепи во втором полупериоде меньше, ток по цепи пойдет больше и, соответственно, изменится напряжение, регистрируемое на выходе делителя. Ток и напряжение в разные полупериоды будет разный. U1 будет отличаться от U2. Измеренное напряжение во втором полупериоде U2 также подается в компьютер, где производятся вычисления значения высоковольтного напряжения с использованием значений замера на предыдущем полупериоде U1. В качестве элемента с односторонней проводимостью возможно применение нескольких диодов, мостовых выпрямителей, транзисторов, тиристоров и т.д. В качестве индуктивности высоковольтного плеча используется нестабилизированная катушка индуктивности на полное измеряемое высоковольтное напряжение, реактор, одна из обмоток силового трансформатора. Значение индуктивности катушки или обмотки должно быть достаточным для протекания индуктивного тока и произведения замеров. Работа предложенного устройства поясняется чертежом на Фиг.1. Значение напряжения Uвx вычисляется для идеального случая, когда диод не имеет сопротивление в открытом состоянии и имеет бесконечно большое сопротивление в закрытом состоянии, по формуле для Фиг.1:

где U₁ - напряжение на делителе в первый полупериод;

U₂ - напряжение на делителе во второй полупериод;

R₁ - сопротивление в первый полупериод (R₁);

R₂ - сопротивление во второй полупериод (R₁+R₂).

Как видно из формулы, индуктивность высоковольтного плеча не влияет на значение измеряемой величины напряжения Uвx.

Другое устройство на основе предложенного способа измерения с делителем напряжения содержит индуктивное высоковольтное плечо и два разных сопротивления в низковольтном плече, включенных параллельно через диоды. Дополнительно низковольтное плечо имеет, по крайней мере, один диод, в качестве элемента с односторонней проводимостью, включенный последовательно с сопротивлениями. Сущность этого устройства поясняется чертежом на Фиг.3. Устройство работает следующим образом. Переменный ток Uвx в первый полупериод протекает по катушке индуктивности высоковольтного плеча делителя Lвx и по одному из сопротивлений низковольтного плеча R1 через открытый диод D1, соединенный последовательно с этим сопротивлением. Диод D2, последовательно соединенный с другим сопротивлением R2, в это время закрыт и не проводит ток. Аналого-цифровой преобразователь или осциллограф фиксирует падение напряжение U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, другой диод D2 открывается, а первый - D1 закрывается, ток течет по другому сопротивлению R2 низковольтного плеча и по катушке индуктивности Lвx высоковольтного плеча. АЦП или осциллограф снимают мгновенные значения падения напряжения на выходе низковольтного плеча делителя U2. Так как сопротивление цепи во втором полупериоде оказалось отличным от сопротивления в первом полупериоде, ток по цепи пойдет другой и, соответственно, изменится напряжение, регистрируемое на выходе делителя. Ток и напряжение в разные полупериоды будет разный. Измеренное напряжение во втором полупериоде U2 также подается в компьютер, где производятся вычисления значения высоковольтного напряжения с использованием значений замера на первом полупериоде U1. Если не учитывать внутреннее сопротивление диодов в открытом состоянии и считать, что в закрытом состоянии диод имеет бесконечно большое сопротивление, то напряжение Uвx можно найти по формуле для Фиг.2 и Фиг.3:

где U₁ - напряжение на делителе в первый полупериод;

U₂ - напряжение на делителе во второй полупериод;

R₁ - сопротивление в первый полупериод (резистор на Фиг.2 и Фиг.3 - R₁);

R₂ - сопротивление во второй полупериод (резистор на Фиг.2 и Фиг.3 - R₂).

Расчетная формула для Фиг.2 и Фиг.3 оказывается идентичной в силу одинаковых параметров электрической цепи для каждого полупериода, одинакового пути прохождения электрического тока несмотря на разные принципиальные схемы.

Если в устройстве Фиг.3 из двух диодов на каждой параллельной ветви оставить только один диод на одной из ветвей, устройство будет работать следующим образом (Фиг.4).

Переменный ток напряжением Uвx в первый полупериод протекает по катушке индуктивности высоковольтного плеча делителя Lвx и по двум параллельным сопротивлениям R1 и R2 низковольтного плеча через открытый диод, соединенный последовательно с этим сопротивлением. Аналого-цифровой преобразователь или осциллограф фиксирует падение напряжение U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, диод закрывается, и ток течет по одному сопротивлению низковольтного плеча R1 и через катушку индуктивности Lвx высоковольтного плеча. АЦП или осциллограф снимают мгновенные значения падения напряжения U2 на выходе низковольтного плеча делителя. Так как сопротивление цепи во втором полупериоде оказалось отличным от сопротивления в первом полупериоде, ток по цепи пойдет другой и, соответственно, изменится напряжение, регистрируемое на выходе делителя. Ток и напряжение в разные полупериоды будет разный. Измеренное напряжение U2 во втором полупериоде также подается в компьютер, где производятся вычисления значения высоковольтного напряжения с использованием значений замера на первом полупериоде U1 другого осциллографа или АЦП. Если не учитывать внутреннее сопротивление диодов в открытом состоянии и считать, что в закрытом состоянии диод имеет бесконечно большое сопротивление, то напряжение Uвx можно найти по формуле для Фиг.4:

где U₁ - напряжение на делителе в первый полупериод;

U₂ - напряжение на делителе во второй полупериод;

R₁ - сопротивление в первый полупериод, на Фиг.4 обозначено - R₁;

R₂ - сопротивление во второй полупериод, на Фиг.4 как сумма параллельных резисторов R₁ и R₂, равная

В устройстве, изображенном на Фиг.5, вариация параметров сопротивления низковольтного плеча делителя производится вручную с помощью ключа K. В этом случае U1 - значение падения напряжения на выходе низковольтного плеча при замкнутом ключе, а U2 при разомкнутом.

Формула расчета Uвx идентична формуле для Фиг.1.

На предприятии-заявителе были изготовлены макеты устройств в соответствии с Фиг.3 и Фиг.5 на основе предложенного метода. В макетах использовались металлооксидные резисторы, диоды типа Д226. Напряжение высоковольтной части было выбрано 6000 В, на низковольтном плече устройства были получены средние напряжения 10.25 В и 10.88 В соответственно для разных полупериодов измерения. Измерения фиксировались АЦП с 12 разрядами. Данные в цифровом виде передавались на IBM-совместимый компьютер и обрабатывались вычислительной программой. По результатам испытаний получены 7800 замеров мгновенных значений (100 периодов по 78 точек за период). Анализ результатов испытаний показал высокую повторяемость измерений, высокую точность и воспроизводимость результатов, отсутствие искажений при токах короткого замыкания, отсутствие искажений в результате воздействия вибрации, отсутствие искажений при изменении магнитного поля в месте замеров, отсутствие искажений результатов при прохождении электрических разрядов по воздуху.

Конструкция устройства поясняется чертежами

На всех фиг. следующие обозначения:

1 - высоковольтное индуктивное плечо делителя;

2 - низковольтное резистивное плечо делителя;

3 - сопротивление №1;

4 - сопротивление №2;

5 - элемент с односторонней проводимостью;

6 - катушка индуктивности высоковольтного плеча;

7 - ключ;

8 - низковольтное измерительное устройство (вольтметр, АЦП);

Uвx - измеряемое входное высоковольтное напряжение;

U1 - напряжение на делителе в первый полупериод;

U2 - напряжение на делителе во второй полупериод;

D1 - диод, открытый в первый полупериод;

D2 - диод, открытый во второй полупериод;

R1 - первый резистор;

R2 - второй резистор;

Lвx - катушка индуктивности высоковольтного плеча делителя.

Фиг.1 - электрическая схема с индуктивным высоковольтным плечом и последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним элементом односторонней проводимости.

Фиг.2 - электрическая схема с индуктивным высоковольтным плечом и последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и двумя элементами односторонней проводимости.

Фиг.3 - электрическая схема устройства с индуктивным высоковольтным плечом и параллельным соединением сопротивлений низковольтного плеча и двумя элементами односторонней проводимости.

Фиг.4 - электрическая схема устройства с индуктивным высоковольтным плечом и параллельным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним элементом односторонней проводимости.

Фиг.5 - электрическая схема с индуктивным высоковольтным плечом и последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и ключом для ручного переключения.

Способ измерения переменного напряжения вариационным делителем, при котором измеряемое напряжение рассчитывают по измеренному току (напряжению) на выходе низковольтного плеча делителя при разных калиброванных значениях его сопротивления, отличающийся тем, что высоковольтное плечо делителя выполняют индуктивным.