KOMPARATOR Z DZIELNIKIEM POJEMNOŚCIOWO- REZYSTANCYJNYM DO POMIARÓW BŁĘDÓW PRZEKŁADNIKÓW NAPIĘCIOWYCH

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 54 Politechniki Wrocławskiej Nr 54 Studia i Materiały Nr Wojciech FULIŃSKI, Jerzy LESZCZYŃSKI *, Karol NOWAK Układy pomiarowe metoda kompensacyjno-różnicowa KOMPARATOR Z DZIELNIKIEM POJEMNOŚCIOWO- REZYSTANCYJNYM DO POMIARÓW BŁĘDÓW PRZEKŁADNIKÓW NAPIĘCIOWYCH W artykule przedstawiono nowy układ kompensacyjno-różnicowy, służący do pomiarów błędów przekładników napięciowych, niskiego i wysokiego napięcia. Elementem odtwarzającym w układzie przekładnię znamionową badanego przekładnika jest dzielnik pojemnościowo-rezystancyjny. Właściwe czynności pomiarowe poprzedzone są procedurą samokalibrującą układ, dzięki czemu uzyskuje się znaczne zmniejszenie błędów komparatora. Opisano też sposób przeprowadzenia kalibracji komparatora i wykonania pomiarów. 1. WSTĘP Układy do pomiaru błędów przekładników są wyspecjalizowanymi komparatorami napięć przemiennych 50Hz. Pomiar polega na porównaniu napięć występujących po stronie pierwotnej i wtórnej badanego przekładnika. O dokładności komparatora w znacznej mierze decydują błędy stosowanego w nim dzielnika napięcia. W dotychczas stosowanych układach pomiarowych wzorcami stosunku napięć są najczęściej dokładne przekładniki napięciowe lub dzielniki napięcia typu pojemnościowego, względnie rezystancyjnego. O wyborze wzorca podziału decyduje napięcie znamionowe strony pierwotnej badanego przekładnika. W zakresie do 5kV stosowane są dzielniki rezystancyjne i przekładniki wzorcowe. Do napięć większych, lecz nie wyższych niż 160kV, wykorzystywane są przekładniki i dzielniki pojemnościowe. Natomiast w pomiarach przekładników najwyższych napięć używane są jedynie dzielniki pojemnościowe [1, 7]. Wykorzystanie dzielników pojemnościowych w układach do sprawdzania prze-kładników dokładnych, tj. o klasach dokładności od 0,1 do 0,5, jest ograniczone - szczególnie wtedy, gdy mają to być dzielniki z regulowanym podziałem Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19

2 napięcia. Sto-sowane w nich niskonapięciowe kondensatory dekadowe wzorcowane są w najlepszym przypadku w klasie dokładności 0,2 - czyli w klasie nie zapewniającej dzielnikowi żądanej precyzji podziału napięcia. Nowość układu polega m.in. na zastosowaniu w nim dzielnika pojemnościowo rezystancyjnego, utworzonego z kondensatora wzorcowego wysokiego napięcia i dwóch dokładnych rezystorów dekadowych. Dekady rezystancyjne mogą być wykonane w klasie dokładności 0,02 - czyli dziesięciokrotnie dokładniej od dekad pojemnościowych. Taka dokładność dekad rezystancyjnych gwarantuje dzielnikowi ze zmiennym podziałem napięcia wystarczająco małe błędy. Dotychczasowe wykorzystanie w układach pomiarowych dzielników pojemnościowo-rezystancyjnych jest niewielkie, co wynika z ich niekorzystnych właściwości fazowych. Dzielnik jest zarazem przesuwnikiem fazowym o fazie napięcia wyjściowego zależnej od nastawionego podziału. W związku z tym, w układach pomiarowych które reagują na fazę sygnału pomiarowego muszą być przedsięwzięte odpowiednie środki układowe i pomiarowe w konsekwencji prowadzące do ograniczenia wpływu błędów fazowych dzielnika na dokładność pomiarów. W przedstawianym komparatorze postulat ten został w pełni zrealizowany, poprzez opracowanie oryginalnej procedury pomiarowej pozwalającej na tzw. samokalibrację komparatora. Wynikiem jej przeprowadzenia nie tylko uzyskuje się kompensację błędów fazowych dzielnika, ale ulegają też zmniejszeniu błędy systematyczne powstające w jego pozostałych elementach. Dużą zaleta układu jest też możliwości stosowania w pomiarach kondensatora wzorcowego o nie ustalonej wartości poprawnej. Inaczej mówiąc, kondensator nie musi mieć aktualnego świadectwa sprawdzenia, a pomimo tego, uzyskane z nim wyniki pomiarów są w pełni wiarygodne. 2. ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU Zasadę działania komparatora można wyjaśnić posługując się schematem podanym na rys. 1. [2, 6]. Napięcie pomiarowe U 1 jest podane do uzwojenia pierwotnego badanego przekładnika P i do dzielnika C n -R n. Zaś napięcie strony wtórnej przekładnika zasila obwód z cewką indukcyjności wzajemnej M i transformatorem prądowym T, z kolei zasilającym potencjometr pomiarowy R γ. W obwodzie pomiarowym z detektorem zera występują trzy napięcia: napięcie wyjściowe dzielnika, sem E n indukcyjności wzajemnej, oraz napięcie wytworzone na rezystorze pomiarowym R γ. Przyjmując dla dzielnika założenie, że jego rezystancja R n jest pomijalnie mała względem reaktancji kondensatora C n, to po zrównoważeniu układu, błąd napięciowy badanego przekładnika jest proporcjonalny do względnej zmiany rezystancji dzielnika, a jego błąd kątowy - do nastawy rezystora pomiarowego R γ. Praktyczne wykorzystanie układu do pomiarów przekładników dokładnych nie jest

3 możliwe, a to za przyczyną występowania w nim szeregu źródeł znaczących błędów. W pierwszej kolejności jest nim dzielnik. Oprócz błędów fazowych powstają w nim też znaczące błędy podziału, których źródłem są zmiany prądu I c dzielnika, zachodzące pod wpływem nastawy rezystancji R. Duże błędy przetwarzania może wnosić do wyników pomiarów obwód z indukcyjnością wzajemną. Rys.1. Schemat ideowy komparatora z dzielnikiem C-R do pomiaru błędów przekładników Fig. 1. Comparator with C-R divider for measuring transformer errors W celu poprawy właściwości metrologicznych i użytkowych układu dokonano w nim szeregu zmian, dzięki którym: po pierwsze - stał się w pełni układem kompensacyjno-różnicowym, po drugie zyskał właściwość samokalibracji. Wynikiem tego, przed właściwymi pomiarami, przeprowadza się czynności kalibracyjne, po których błędy komparatora są na tyle małe, że można nim sprawdzać dokładne przekładniki o dowolnych przekładniach i napięciach znamionowych. 3. UKŁAD KOMPENSACYJNO-RÓŻNICOWY Z DZIELNIKIEM POJEMNOŚCIOWO-REZYSTANCYJNYM Schemat zmodyfikowanego układu przedstawiono na rys. 2. [3, 4]. Podobnie jak w układzie poprzednim, do źródła napięcia pomiarowego U 1 włączone są uzwojenie pierwotne badanego przekładnika oraz dzielnik pojemnościowo-rezystancyjny, który

4 teraz składa się z kondensatora wzorcowego C n i dwóch dokładnych rezystorów dekadowych R n i R d. Napięcie strony wtórnej przekładnika zasila dwa obwody: obwód kompensatora przemiennonapięciowego o współrzędnych prostokątnych i obwód z indukcyjnością wzajemną M. Po uzyskania w obwodzie pomiarowym stanu kompensacji, nastawy obu rezystorów pomiarowych kompensatora - R δ i R γ, są proporcjonalne do błędów badanego przekładnika (δ U, γ). W obwodzie pomiarowym układu występują też dwa nastawiane źródła napięć (zw. dodatkowymi), wykorzystywane do kalibracji układu. Pierwsze z nich, nazywane U - wytwarza napięcie na potencjometrze pomiarowym R α. Drugie, nazywane E - powstaje w indukcyjności wzajemnej M, wynikiem nastawy rezystora R e, wywołującej nieznaczne zmiany prądu w obwodzie pierwotnym indukcyjności. Kalibracja komparatora polega na przeprowadzeniu źródłami dodatkowymi czynności równoważących układ. Ustalone w nich napięcia są dla komparatora poprawkami, które - w nie zmienionych wartościach występują też w układzie podczas pomiarów błędów przekładników. Rys.2. Schemat układu kompensacyjno-różnicowego z dzielnikiem pojemnościowo-rezystancyjnym Fig. 2. Diagram of differential compensation circuit with capacitance-resistance divider

5 Sposób wykonania kalibracji jest uzależniony od napięć znamionowych badanych przekładników. 4. POMIARY BŁĘDÓW PRZEKŁADNIKÓW O NAPIĘCIACH DO 10kV Do pomiarów przekładników o napięciach do 10kV, w dzielniku napięcia komparatora należy stosować kondensatory wzorcowe o stosunkowo dużych pojemnościach, tj. od kilku do kilkudziesięciu nf. Wybór ten jest podyktowany potrzebą zapewnienia układowi wystarczającej czułości, a zatem małych błędów nieczułości. Technikę kalibracji zobrazowano schematem blokowym przedstawionym na rys. 3. W pierwszej kolejności, należy ustalić podobne współczynniki przetwarzania obu torów pomiarowych komparatora. Ponieważ współczynnik przetwarzania obwodu z indukcyjnością wzajemną, dobrany konstrukcyjnie, jest bliski 0,01, to podobny podział musi mieć dzielnik napięcia. W tym celu, w dekadzie R n nastawia się rezystancję wynikającą zależność: p C-R ωr n C n 0,01. Jeżeli np. kondensator ma pojemność 10nF, to żądana nastawa dekady R n wyniesie 3185Ω. Należy przy tym zauważyć, że dzielnik z elementami o podanych wartościach wprowadza do układu przesunięcie fazowe α, liczone względem 90 0, bliskie 35min. (tgα ωr N C N ). Jest to wartość porównywalna z dopuszczalnymi błędami kątowymi dokładnych przekładników (np. dla kl.0.1 wynosi 5 min.), i stąd m.in. wynika konieczność wykonania kalibracji. KOMPARATOR WE 2 U = U =100V 2 URZĄDZENIE POMIAROWE k n 0,01 nastawy: (δ u = 0 ;γ = 0) E n pku 2 DZIELNIK NAPIĘCIA Cn Rn p k 0,01 WE 1 DODATKOWE ŹRÓDŁA NAPI ĘĆ U ; E D U + j E Warunki pomiaru: R n [Ω] = p k / ωc n = 31831/C n [nf] U 1 = U 2 = 100V Rys. 3. Schemat układu przedstawiający sposób kalibracji Fig. 3. Diagram of the circuit presenting the calibration method

6 Kalibrację wykonuje się po doprowadzeniu do obu wejść komparatora napięcia 100V, czyli napięcia znamionowego strony wtórnej przekładników. Następnie, przy zerowych nastawach potencjometrów pomiarowych, przeprowadza się czynności równoważące układ - wykorzystując do tego dodatkowe źródła napięć. Ustalone w nich napięcia kompensują błędy komparatora dla przypadku jednostkowego stosunku komparowanych napięć (U 1 =U 2 ). Dalsza procedura pomiarowa pozwala uzyskane poprawki zachować dla innych stosunków porównywanych napięć. Po przeprowadzeniu kalibracji można przystąpić do pomiarów (rys. 4). W obwód komparatora włącza się badany przekładnik, i zarazem, zmienia się podział dzielnika napięcia na odpowiedni do przekładni przekładnika. Do nastawy podziału wykorzystywane są teraz obie dekady rezystancyjne R d i R n, stanowiące razem rezystancyjny dzielnik napięcia o pomijalnie małych błędach fazowych. Jego podział - równy odwrotności nominalnej przekładni przekładnika - powinien być zrealizowany w ten sposób, żeby suma rezystancji obu dekad była równa rezystancji dzielnika, występującej podczas kalibracji komparatora. Dzięki temu, dokonana zmiana przekładni dzielnika nie wpływa na fazę jego napięcia wyjściowego, a więc spełniony jest postulat warunkujący wykorzystanie dzielnika C-R w pomiarach przekładników. KOMPARATOR BADANY PRZEKŁADNIK υn U 1 U 2 URZĄDZENIE POMIAROWE k odczyt: δ u ; γ DODATKOWE ŹRÓDŁA NAPIĘĆ U ; E ku 2 p R p k U 1 Dzielnik R d Rn pr=1/ υn D U + j E DZIELNIKC n R n Dzielnik C n Rn p k Warunki pomiaru: p R =1/ υn= =Rn / ( R n + R d ) R n =R n + R d U 2 = 80; 100; 120V U 1 Rys. 4. Schemat układu przedstawiający sposób pomiaru Fig. 4. Diagram of the circuit presenting the measuring method 5. POMIARY BŁĘDÓW PRZEKŁADNIKÓW O NAPIĘCIACH >10kV Kondensatory wzorcowe o napięciach nominalnych większych od 10kV mają zwykle pojemności mniejsze niż 1nF. Z takimi kondensatorami kalibracja

7 komparatora przedstawioną wyżej metodą nie jest możliwa, a to z przyczyny niezadowalającej czułości układu. Dlatego proponuje się tzw. metodę transferu poprawek. Polega ona na wykonaniu czynności pomiarowych przenoszące poprawki z wykalibrowanego układu do sprawdzania przekładników o napięciach do 10kV - na układ pomiarowy przeznaczony do pomiarów przekładników o napięciach większych niż 10kV. Rolę transferu może spełniać dowolny przekładnik, dalej zwany pomocniczym, z napięciem strony pierwotnej do 10kV. Zastosowanie metody transferu wymaga przeprowadzenia procedury pomiarowej składającej się z czterech etapów: 1. Powyżej przedstawioną techniką pomiarową, wykonuje się czynności kalibrujące komparator z przeznaczeniem do pomiarów przekładników o napięciach do10kv. Wtedy w dzielniku stosowany jest kondensator wzorcowy o dużej pojemności i napięciu nominalnym do 10kV. Po nastawie podziału dzielnika obowiązującego przy kalibracji komparatora, ustala się pomiarowo poprawki - stosując do równoważenia komparatora dodatkowe źródła napięć. 2. W drugim kroku, wykonuje się pojedynczy pomiar błędów przekładnika pomocniczego. W tym celu, przed pomiarem należy ustalić podział dzielnika, wykorzystując do nastawy dekad rezystancyjny R n i R d. Następnie, po nastawie napięcia pomiarowego, mierzy się błędy przekładnika. 3. W kolejnym kroku, przeprowadza się powtórnie czynności kalibrujące komparator. W tym celu wymienia się w dzielniku kondensator na kondensator o napięciu nominalnym większym niż 10kV i odpowiadającym napięciu badanego przekładnika. Inna pojemność kondensatora wymusza zmianę rezystancji dzielnika, na wartość zapewniającą nowemu dzielnikowi podział ustalony w pkt. 2. Następnie, nie wyłączając z komparatora przekładnika pomocniczego oraz zachowując poprzednie nastawy potencjometrów pomiarowych (mierzących błędy), przeprowadza się równoważenie układu jedynie źródłami dodatkowymi. Uzyskane w nich nastawy są poprawkami dla komparatora z nowym dzielnikiem napięcia. 4. Tak przygotowanym komparatorem można już mierzyć przekładniki o napięciach większych od 10kV. Przed pomiarami należy jeszcze - kolejny raz - zmienić podział dzielnika na odpowiedni do przekładni badanego przekładnika. Do tego wykorzystuję się dzielnik rezystancyjny z dekadami R n -R d, bądź tylko dekadę R n jeżeli mierzone są przekładniki najwyższych napięć (U 1 >100kV). 6. OCENA WŁAŚCIWOŚCI METROLOGICZNYCH KOMPARATORA I WNIOSKI Komparator był sprawdzany w pomiarach błędów przekładników niskiego i

8 wysokiego napięcia. Stwierdzono w nich jego wystarczającą czułość i dokładność. M.in. wyniki pomiarów były porównywane z wartościami błędów podanych w świadectwie uwierzytelnienia przekładnika klasy 0,1. Niepewności pomiarów nie przekraczały wartości dopuszczalnych wymienionych w normach [5]. Niepewności pomiarów błędów napięciowych nie były większe niż 0,015%, a błędów kątowych 0,5min. Wykonane badania wykazały więc słuszność przyjętej koncepcji układowej i pomiarowej. W porównaniu z dotychczas stosowanymi układami komparator ma szereg zalet, w tym: - dużą dokładność, którą osiąga dzięki samowzorcowaniu - w pomiarach mogą być stosowane kondensatory wzorcowe o nie ustalonych wartościach poprawnych - w pomiarach zbędne są przekładniki wzorcowe i wzorcowe dzielniki pojemnościowe dużą użyteczność, gdyż można nim sprawdzać przekładniki o dowolnych przekładniach i napięciach. LITERATURA [1] FULIŃSKI W.: Nowe układy kompensacyjno różnicowe do sprawdzania przekładników napięciowych. Rozprawy elektrotechniczne, t. X, z. 3. Warszawa, [2] FULIŃSKI W.: Nowe metody bezwzględnego pomiaru uchybów przekładników. Zesz. Nauk. PWr. Elektryka XXXI, Nr 177, Wrocław, [3] FULIŃSKI W.: Układ do sprawdzania przekładników napięciowych. Patent nr PL B1. Urząd Pat. RP r. WUP 02/01 [4] FULIŃSKI W., LESZCZYŃSKI J.: Układ do sprawdzania przekładników napięciowych za pomocą kondensatorów wzorcowych, KKM 98,Wyd. Pol. Gdańska, Gdańsk, [5] PN-IEC A1:1994 Polska Norma Przekładniki napięciowe. [6] FULIŃSKI W., LESZCZYŃSKI J.: Układy pomiarowe do sprawdzania przekładników nieznormalizowanych. Przegląd Elektrotechniczny, z. 3., [7] STARCZAKOW W.: Przekładniki. PWT. Warszawa, COMPARATOR WITH CAPACITANCE-RESISTANCE DIVIDER FOR MEASURING ERRORS OF VOLTAGE TRANSFORMERS A new circuit for testing high low voltage transformers using standard capacitors is presented. The element recording transfer of the examined transformer is a capacitance-resistance divider. Measuring activities are preceded by self calibration procedure which reduces the number of mistakes. A method of calibrating the comparator and making measurements is described.