BADANIE PRZEKŁADNIKÓW PRĄDOWYCH

Transkrypt

1 1. Podstawy teoretyczne ĆWCENE NR 4 BADANE PREKŁADNKÓW PRĄDOWYCH Przekładnik prądowy jest to urządzenie elektryczne transformujące sinusoidalny prąd pierwotny na prąd wtórny o wartości dogodnej do zasilania obwodów prądowych przyrządów pomiarowych lub urządzeń zabezpieczających. astosowanie przekładników daje następujące korzyści: a) oddziela przyrządy pomiarowe oraz przekaźniki zabezpieczające od przewodów znajdujących się pod wysokim napięciem, b) przetwarza prądy pierwotne na wartości najbardziej odpowiednie do celów pomiarowych, co stwarza możliwość ograniczenia liczby znormalizowanych prądów po stronie wtórnej. Schemat ideowy przekładnika prądowego jest podany na rys. 1. aciski pierwotne przekładnika oznacza się dużymi literami K i L, zaciski wtórne małymi literami k i l (nowe oznaczenia P1 i P2 oraz S1 i S2) K (P1) L (P2) W1 W2 k (S1) l (S2) Rys. 1 Schemat ideowy przekładnika prądowego Przekładnik prądowy pracuje przy stałej impedancji obciążenia, a jego prąd wtórny jest proporcjonalny do prądu pierwotnego. Proporcjonalność tę określa przekładnia rzeczywista n i. i 1 1

2 Podczas analizy zjawisk zachodzących w przekładniku prądowym w różnych warunkach pracy, wygodnie jest posługiwać się schematem zastępczym sprowadzonym do obwodu wtórnego, pokazanym na rys. 2. Na schemacie tym wielkości występujące w obwodzie pierwotnym zostały sprowadzone do obwodu wtórnego zgodnie z zależnościami: ( ) ( W1 W2 W ) W w których: W1 i W2 liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego. 1 2 (3) P1 R X ( ) S1 X E obc P2 S2 Rys. 2. Uproszczony schemat zastępczy przekładnika prądowego Podstawowe dane techniczne przekładników podawane na tabliczce znamionowej są następujące: - znamionowy prąd pierwotny w A, - znamionowy prąd wtórny w A, - znamionowa moc obciążenia w VA, - klasa dokładności w %, - znamionowy współczynnik graniczny dokładności, - znamionowe napięcie izolacji w kv. Prądy znamionowe pierwotne i wtórne przekładników są znormalizowane. Sieciowe przekładniki prądowe są budowane na prąd wtórny 5 A, 1 A lub 2 A. namionowa moc obciążenia przekładnika jest to moc pozorna S n oddawana przez obwód wtórny przekładnika przy prądzie znamionowym i cos obc =0.8 ind., przy której nie następuje utrata klasy dokładności przekładnika. 2

3 S n 2 ( 2) n obcn (4) Klasa dokładności przekładnika prądowego do zabezpieczeń określona jest wartościami błędów: prądowego, kątowego i całkowitego. Oznacza się ją liczbą poprzedzającą znak P, która określa wartość procentowego błędu całkowitego, przy znamionowym prądzie pierwotnym granicznym, np. 5P, 10P. Błąd prądowy to błąd, który wprowadza przekładnik do pomiaru prądu z tego powodu, że rzeczywista przekładnia n i nie jest równa przekładni znamionowej in. Błąd ten, wyrażony w procentach, określony jest zależnością: gdzie: in n n in, n, n znamionowy prąd pierwotny i wtórny. 100 Błąd kątowy to kąt między wektorami prądu pierwotnego i wtórnego. Dodatni znak tego błędu oznacza, że wektor prądu wtórnego wyprzedza wektor prądu pierwotnego. Błąd ten zwykle jest wyrażany w minutach lub centyradianach. Błąd całkowity określa wartość skuteczną prądu w stanie ustalonym, będącą różnicą między chwilowymi wartościami rzeczywistego prądu wtórnego pomnożonego przez znamionową przekładnię przekładnika i prądu pierwotnego, wyrażoną w procentach wartości skutecznej prądu pierwotnego zgodnie ze wzorem: (5) w którym: w T T 0 ( i in i i, i wartości chwilowe prądu pierwotnego i wtórnego, T czas trwania jednego okresu, in przekładnia znamionowa przekładnika. ) 2 dt (6) Jeżeli przyjmie się sinusoidalne przebiegi prądów, to zależność (6) można zapisać w postaci wzoru: w in 100 [%] (7) 3

4 s/pr ( w którym 2) in - bezwzględna wartość różnicy geometrycznej wektora prądu wtórnego pomnożonego przez przekładnię znamionową i wektora prądu pierwotnego. Błędy przekładnika zależą od wartości prądu magnesującego (), ponieważ impedancja () ma charakter nieliniowy. chwilą przekroczenia przez prąd () określonej wartości następuje nasycenie rdzenia przekładnika, czego następstwem jest zmniejszanie się wartości impedancji (), a tym samym wzrost błędów przekładnika. Przy małych wartościach prądu, a tym samym małych wartościach prądu magnesującego, również wzrastają błędy przekładnika, ponieważ występuje zmniejszenie przenikalności magnetycznej rdzenia, a więc zmniejszenie impedancji (). Wartości błędów zależą także od impedancji obciążenia obc, przyłączonej do zacisków wtórnych przekładnika prądowego. e wzrostem tej impedancji błędy wzrastają początkowo liniowo, a następnie znacznie szybciej, gdyż rdzeń przekładnika nasyca się. Na rys. 3 pokazano przebieg zależności prądu wtórnego przekładnika prądowego od prądu pierwotnego. Na przebieg tej zależności pewien wpływ ma także współczynnik mocy obwodu wtórnego cos=1 cos=0.6 = =1.2 = p/pr Rys. 3. ależność prądu wtórnego przekładnika od prądu pierwotnego Dla przekładników prądowych do zabezpieczeń błąd całkowity określa się przy znamionowym prądzie granicznym ng, a jego wartość oblicza się na podstawie wyrażenia: n ( 1) ng wn n (8) w którym: n wn znamionowy współczynnik granicznej dokładności (dawniej liczba przetężeniowa). 4

5 ALF (nw) namionowy współczynnik granicznej dokładności n wn jest to stosunek znamionowego prądu pierwotnego granicznego ng do znamionowego prądu pierwotnego n w warunkach, gdy do uzwojenia wtórnego przyłączone jest obciążenie znamionowe n obc o współczynniku mocy mieszczącym się w przedziale wartości 0.8 ind. i 1. namionowymi współczynnikami granicznej dokładności są: 5, 10, 15, 20, 25 i 30. przebiegu charakterystyk magnesowania rdzeni przekładników prądowych wynika, że istnieje silna zależność współczynnika granicznej dokładności od impedancji obciążenia strony wtórnej. Jeżeli znany jest znamionowy współczynnik granicznej dokładności n wn, to dla danej wartości impedancji obciążenia obc odpowiadający jej współczynnik n w można obliczyć na podstawie zależności: n w n wn nobc obc gdzie: impedancja strony wtórnej przekładnika. (9) Rys. 4. ależność współczynnika granicznej dokładności od impedancji obciążenia strony wtórnej przekładnika prądowego. ależność n w ( obc ) ma przebieg w przybliżeniu hiperboliczny (rys. 4). Metody wyznaczania współczynnika granicznej dokładności godnie z normami, pomiar błędu całkowitego lub współczynnika granicznej dokładności należy wykonywać metodą bezpośrednią. Dla niektórych typów przekładników prądowych, np. o jednolitych rdzeniach toroidalnych, dopuszcza się metody pośrednie. Metoda 5

6 bezpośrednia jest najdokładniejsza, gdyż odtwarza się warunki rzeczywiste, jednak jej stosowanie wymaga źródła o dużej mocy. stnieje ponadto niebezpieczeństwo nadmiernego nagrzania uzwojeń przekładnika podczas wykonywania pomiarów. W laboratoriach dydaktycznych na ogół stosuje się więc metody pośrednie. Spośród znanych metod pośrednich niżej zostanie omówiona tylko metoda wykorzystująca charakterystykę magnesowania przekładnika prądowego Ex Em X a x Rys. 5. Wykres do wyznaczenia współczynnika granicznej dokładności przekładnika prądowego Mając wykreśloną charakterystykę magnesowania przekładnika E () =f( () ) (rys. 5) znajdujemy na niej taki punkt x, dla którego: ( ) x 0.1 (10) Przy upraszczającym założeniu, że prądy pierwotny i wtórny są ze sobą w fazie, otrzymamy: ( 2) x ( ) x 0.9 (11) godnie ze schematem zastępczym (rys. 2): E ( obc) ( ) c w którym c jest wypadkową impedancją obwodu wtórnego. atem prądowi x (zal. 11) odpowiada napięcie na gałęzi magnesowania E ()x równe: (12) 6

7 E 0.9 ( ) x 1) ( c (13) Napięcie E ()x na charakterystyce magnesowania wyznacza punkt przecięcia się tej charakterystyki z prostą poprowadzoną z początku układu współrzędnych pod kątem a. godnie z zależnościami (10) i (13) : tga k s E ( ) x ( ) x k s c 9k s c (14) przy czym: k s współczynnik skali. Jeżeli się przyjmie taką samą skalę dla osi E () i (), to należy przyjąć k s =1. Mając w ten sposób wyznaczoną wartość E ()x, współczynnik granicznej dokładności obliczamy z wyrażenia: n w n E ( ) x 0.9 c 1 n (15) Tak obliczona wartość współczynnika granicznej dokładności jest obarczona błędem spowodowanym przede wszystkim przyjęciem równych argumentów impedancji gałęzi magnesującej oraz impedancji obwodu wtórnego przekładnika c. W rzeczywistości wartość tga nie jest równa 9k s c lecz zawiera się w zakresie od 7.2 k s c do 9 k s c. Współczynnik granicznej dokładności ma wówczas większą wartość od obliczonej. 7

8 2. Przebieg ćwiczenia 2.1. Sprawdzenie oznaczeń zacisków przekładnika Schemat układu pomiarowego do sprawdzenia oznaczeń zacisków przekładnika prądowego pokazano na rys. 6. W + S1(k) P1 (K) + mv - S2 (l) P2 (L) - Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do sprawdzenia oznaczeń zacisków przekładnika prądowego Przy prawidłowym oznakowaniu zacisków, w przypadku załączenia wyłącznika wskazówka miliwoltomierza powinna się wychylić w kierunku skali, przy wyłączeniu natomiast w kierunku przeciwnym Sprawdzenie przekładni przekładnika Po sprawdzeniu przekładni można określić, czy nie nastąpiło błędne oznaczenie przekładnika oraz czy przekładnik nie ma zwartych zwojów. Pomiaru tego nie można traktować jako sprawdzenia dokładności przekładnika, które powinno być wykonane metodą kompensacyjną. Schemat układu pomiarowego do sprawdzenia przekładników o małej przekładni (np. 10/5) jest pokazany na rys. 7. AT A ~ K L k l A Rys. 7. Schemat układu pomiarowego do sprawdzenia przekładni przekładnika prądowego 8

9 Pomiaru dokonuje się w zakresie od 0.1 do 1.2 krotnej wartości prądu znamionowego przekładnika. Tabela wyników pomiaru powinna zawierać wartości prądu, oraz rzeczywistą przekładnię przekładnika. 3. Wyznaczenie charakterystyki magnesowania przekładnika Na podstawie przebiegu charakterystyki magnesowania przekładnika można stwierdzić, czy nie ma on zwartych zwojów, porównać ją z charakterystyką magnesowania drugiego przekładnika w układzie różnicowym oraz można określić wartość współczynnika granicznej dokładności. Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki magnesowania jest przedstawiony na rys. 8. AT A k K ~ V l L Rys. 8. Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki magnesowania przekładnika prądowego. Prąd magnesowania, z uwagi na odkształcony przebieg, powinien być mierzony przyrządem do pomiaru wartości średniej. Takim przyrządem jest np. miernik magnetoelektryczny z prostownikiem. Pomiary wykonuje się w zakresie prądów od 0 do 1.2 n. 4. Wyznaczenie zależności n w10 =f( c ) ależność wartości współczynnika granicznej dokładności od obciążenia strony wtórnej przekładnika należy wyznaczyć na podstawie charakterystyki magnesowania przekładnika prądowego. Na charakterystykę magnesowania nakłada się proste o współczynniku kątowym określonym równaniem (14) dla różnych wartości impedancji c w granicach od c = (zaciski przekładnika zwarte) do c = +4 n obc. Punkt przecięcia każdej prostej z charakterystyką wyznacza wartość prądu magnesowania wynoszącego 10% prądu pierwotnego przy danym obciążeniu. Współczynnik granicznej dokładności dla każdego obciążenia wyznacza się z zależności (15). Przykładowy przebieg charakterystyki n w10 =f( c ) jest pokazany na rys. 4 ()10 9