dr inż. STANISŁAW SZKÓŁKA prof. dr hab. inż. ANDRZEJ SZYMAŃSKI dr inż. GRZEGORZ WIŚNIEWSKI Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej Miniaturowy prekładnik napięciowy do współpracy nowocesnymi układami monitorująco-abepiecającymi W artykule predstawiono jedną trech opracowanych w Instytucie Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej koncepcji prekładnika napięciowego ułamkowej mocy dedykowanego współcesnym układom pomiarowym i monitorującym, baującym na technice mikroprocesorowej. Zamiescono wstępne wyniki badań odnośnie do wierności transformacji.. WSTĘP Wra rowojem techniki cyfrowego pretwarania danych decydowanej mianie uległy ocekiwania i wymagania stawiane cujnikom i pretwornikom pomiarowym. Dotycy to w scególności prekładników prądowych i napięciowych, których nacne gabaryty, ciężar i odpowiednio duża wartość mocy namionowej wynikały uwarunkowań historycnych. Odkstałcone prebiegi napięć i prądów nie są wiernie transformowane pre prekładniki klasycne. Wrastający ciągle stopień nasycenia aparatów, urądeń elektrycnych, abepieceń elektroenergetycnych techniką mikroprocesorową sprawia, iż drastycnie obniżył się poiom mocy sygnałów dostarcanych obwodów prądowych i napięciowych. Celowym więc stało się posukiwanie nowych, małogabarytowych rowiąań układów pośrednicących w prekaywaniu informacji o prebiegach prądów i napięć obwodów silnoprądowych i wysokonapięciowych do współcesnych obwodów pomiarowych. Znane i stosowane są już nowocesne układy monitorowania prebiegów prądowych a pomocą cewek Rogowskiego [,, ]. Prowadone w Instytucie Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej badania nad różnymi koncepcjami prekładników napięciowych ułamkowych mocy akońcyły się trema głoseniami patentowymi. Od rowiąań niekonwencjonalnych podobnie jak konwencjonalnych opróc separacji obwodów, wymaga się spełnienia całego seregu wymogów, a głównie wierności transformacji prebiegów nieależnie od warunków panujących w obwodach cy też od warunków otocenia [4, 5].. KONCEPCJA PRZEKŁADNIKA Na rys. a predstawiono jedną opracowanych i prebadanych koncepcji prekładnika napięciowego. Nadaje się ona scególnie do pracy pry asilaniu strony pierwotnej napięciem międyfaowym. Do acisków M, N obwodu pierwotnego pryłącona jest gałąź awierająca połącone seregowo dwa reystory R ora cewkę o licbie wojów. Korystnym w tym rowiąaniu jest to, aby reystory R były pryłącone do acisków M, N. Zaciski m, n strony wtórnej prekładnika pryłącone są do cewki o licbie wojów. Do acisków m, n pryłącony jest reystor R. Cewki i sprężone są e sobą magnetycnie magnetowodem (korystnie ferrytowym), stanowiącym jednoceśnie układ iolacyjny pomiędy stroną pierwotną i wtórną prekładnika. Pod wpływem pryłąconego do acisków pierwotnych M i N napięcia płynie prąd I, który pretransformowany cewki do cewki prybiera war-
Nr 7(46) LIPIEC 9 5 a) b) Rys.. Schemat ideowy prekładnika napięciowego prenaconego do asilania: a) napięciem międyfaowym, b) napięciem faowym tość I = I. /. Prąd I wywołuje spadek napięcia na reystancji R. Na rys. a predstawiono wykres wskaowy idealnego prekładnika napięciowego napięcia międyfaowego. Napięcie prekładnika stanowi napięcie AC układu trójfaowego. Z uwagi na symetrycne usytuowanie cewki jej aciski najdują się na możliwie najniżsym potencjale w stosunku do potencjału prewodu neutralnego. Potencjał ten jest równy połowie wartości napięcia faowego układu, co e wględów bepieceństwa stanowi istotną aletę rowiąania. Napięcie wtórne indukowane w cewce jest równe ilocynowi prądu I i reystancji R. Napięcie prelicone na stronę pierwotną prekładnika prybiera wartość * R. W ten sposób napięcie pierwotne AB ostaje podielone na try spadki napięcia dwa spadki napięcia R na reystorach R ora spadek napięcia * R. Pomijając nikomą wartość reaktancji astępcej układu cewek i w porównaniu bardo dużą wartością reystancji R, można napisać: I (4) ' R R Stąd napięcie pierwotne można apisać jako: I R (5) Onacając pre prekładnię prekładnika otrymuje się: R R (6) R R Pry równej licbie wojów = prekładnia wynosi: R (7) R stąd I I I () I () Napięcie strony wtórnej prekładnika wynosi: () ' I I I gdie: R reystancja R prelicona na stronę pierwotną. Prąd I strony pierwotnej prekładnika wynosi: W celu apewnienia stałej wartości prekładni, nieależnie od wpływu temperatury otocenia na mianę reystancji, korystnym jest apewnienie jednakowej temperatury reystorom R i R. Prekładnik napięciowy o konstrukcji jak na rys. b nadaje się scególnie do pracy pry asilaniu strony pierwotnej napięciem faowym. Wynika to e wględów bepieceństwa, ponieważ uwojenie wtórne tego rowiąania najduje się na potencjale iemi. Do acisków M, N obwodu pierwotnego pryłącona jest gałąź awierająca połącone e sobą seregowo jeden reystor R ora cewkę o licbie wojów. Korystnym jest aby reystor R był pryłącony do acisku M będącego na potencjale napięcia faowego, aś acisk N do prewodu neutralnego. Zaciski
6 MECHANIZACJA I ATOMATYZACJA GÓRNICTWA a) b) Rys.. proscony wykres wskaowy idealnego prekładnika napięciowego asilanego napięciem: a) międyfaowym, b) napięciem faowym Rys.. kład pomiarowy m i n strony wtórnej prekładnika pryłącone są do cewki o licbie wojów. Do acisków m, n pryłącony jest reystor R. Zasada diałania i ależności wiążące e sobą podstawowe wielkości tego rowiąania są takie same jak rowiąania predstawionego na rys. a. Na rys. b predstawiono uproscony wykres wskaowy idealnego prekładnika napięciowego rys. b. Napięcie prekładnika stanowi napięcie faowe A układu trójfaowego. Napięcie wtórne indukowane w cewce jest równe ilocynowi prądu I i reystancji R. Napięcie prelicone na stronę pierwotną prekładnika prybiera wartość * R. W ten sposób napięcie pierwotne A ostaje podielone na dwa spadki napięcia spadek napięcia R na reystore R ora spadek napięcia * R. Zmiana wartości napięcia pierwotnego tych konstrukcji wymaga jedynie miany wartości reystancji R pry niemienionej poostałej cęści układu. Pry pominięciu nikomej wartości mocy pobieranej pre nowocesne układy abepieceń, prekładnik pobiera moc rędu W/kV napięcia strony pierwotnej. Możliwe jest dalse mniejsanie tej wartości pry astosowaniu odpowiedniego układu ekranującego konstrukcję prekładnika.. BADANIA MODELOWE Badaniom poddano model prekładnika napięciowego predstawionego na rys. b. Ich celem było badanie wierności transformacji prebiegu napięcia (amplituda, kąt presunięcia, wyżse harmonicne). kład pomiarowy predstawiono na rys.. Do badania modelowego prekładnika Pu wykorystano kla-
Phase Nr 7(46) LIPIEC 9 7 a) b) c) Rys. 4. Prebiegi napięć strony pierwotnej u (t) [CH] i wtórnej u (t) [CH] w funkcji casu; a) = kv, I = ma, R = ; b) = 6 kv, I = ma, R = ; c) = 6 kv, I = ma, R =5 a) b) Harmonicne napiecia - CH; - CH 5,5 %Fund,5 CH CH 5-5 5 7 9 5 7 9 5 CH CH,5-5 7 9 5 7 9 5-5 - Rys 5 Porównanie harmonicnych napięć strony pierwotnej u (t) i wtórnej u (t) w warunkach = 6 kv, I = ma, R =5.; a) procentowej awartości poscególnych harmonicnych; b) fa harmonicnych. sycny prekładnik napięciowy kv/ V (Pu) asilany od strony wtórnej a pomocą autotransformatora (AT). Do monitorowania wysokiego napięcia ( ) astosowano reystancyjny dielnik napięcia DN o współcynniku podiału /, a prebieg napięcia strony wtórnej ( ) doprowadano bepośrednio do układu monitorującego w postaci oscyloskopu posiadającego jednoceśnie możliwość dokonania analiy wyżsych harmonicnych w apamiętanych prebiegach (oscyloskop cyfrowy Tektronix serii TDS 4). Preprowadony cykl pomiarów miał badać: wierność transformacji prebiegu napięciowego strony pierwotnej, wpływ obciążenia na pracę prekładnika, wpływ temperatury na prekładnię. Badania preprowadono dla dwóch wartości napięć strony pierwotnej i 6 kv, pry cym praca pry napięciu 6 kv powoliła na badanie wpływu temperatury reystorów R (dwukrotne preciążenie) na stałość prekładni (reystor R poostawał w temperature otocenia C). Prekładnik obciążano reystorem R o wartościach 5, i. Na rys. 4 predstawiono prebiegi napięć strony pierwotnej i wtórnej pry asilaniu napięciem kv (prąd I = ma) i obciążeniu prekładnika reystorem R =. Jak widać na rysunkach 4a i 4b, więksenie prądu uwojenia pierwotnego ma do ma pry takiej samej wartości reystancji R = nacnie mniejsa presunięcie faowe pomiędy prebiegami strony pierwotnej i wtórnej. W modelowym układie odpowiada to wrostowi mocy pobieranej pre prekładnik W/kV do W/kV. Zmniejsenie natomiast reystancji obciążenia R do 5 (rys. 4c) praktycnie eliminuje presunięcie faowe pomiędy prebiegiem napięcia u (t) i u (t). Wartość tego presunięcia więksa się w miarę wrostu wartości R i mniejsania prądu uwojenia pierwotnego I. Wartość mocy pobieranej pre prekładnik w tych warunkach wynosiła ok. W. Zbyt duża wartość reystancji obciążenia R (rędu k ) powoduje presunięcie faowe ok. stopni nieależnie od wartości prądu I strony pierwotnej. W celu określenia wierności transformacji modelu mierono awartość wyżsych harmonicnych w napięciu u (t) strony pierwotnej i wtórnej u (t). Na rys. 5a predstawiono procentową awartość wyżsych harmonicnych w obu prebiegach, pry ałożeniu że wartości pierwsych harmonicnych
%Fund Phase Voltage [V] %Fund Phase Voltage [V] 8 MECHANIZACJA I ATOMATYZACJA GÓRNICTWA a) b) c) Oscylogram 4.5 CH CH 5 CH CH 5-5 5 5 5.5-5 5 7 9 5 7 9 5 - - -.5-5 - -4 CH CH 5 7 9 5 7 9 5 - Time [ms] Rys. 6. Porównanie napięć strony pierwotnej u (t) CH i wtórnej u (t) CH pry asilaniu napięciem faowym w warunkach = V, I = ma, R =5.; a) prebiegów napięć, b) procentowej awartości poscególnych harmonicnych; c) fa harmonicnych. harmonicnych a) b) c) Oscylogram 4.5-5 5 5 5 4 CH 5 -.5.5 5 -.5-5 5 7 9 5 7 9 5 - CH.5 - -4 Time [ms] 5 7 9 5 7 9 5-5 - CH Rys. 7. Prebiegi uyskane w warunkach =4 V, I = ma, R =5 pry asilaniu napięciem prewodowym, a) napięcia strony wtórnej u (t), b) harmonicnych napięcia u (t), c) fa harmonicnych napięcia u (t) napięć strony pierwotnej i wtórnej są sobie równe i wynosą %, natomiast na rys.5b fay transformowanych harmonicnych strony pierwotnej i wtórnej. Jak wynika rysunków 4c i 5, pry spełnieniu pewnych warunków, prekładnik wiernie prenosi prebiegi i ich harmonicne e strony pierwotnej na wtórną. Jeśli chodi o dokładność transformacji amplitud wyżsych harmonicnych to nieależnie od wartości prądu I ( lub ma) i nieależnie od reystancji obciążenia (5 ) błąd nie prekracał wartości % w odniesieniu do pojedyncych harmonicnych. W celu badania wpływu temperatury na stałość prekładni (ał. 7) podgrano reystor R do temperatury 7 C, podcas gdy R poostawał w temperature otocenia. Pomimo faktu, iż użyto wykłych reystorów typu MŁT, miana prekładni nie prekracała,5%. Zastosowanie reystorów o korystnym współcynniku temperaturowym powoli na dalse więksenie stałości prekładni. Wyniki preprowadonych badań uupełniono pomiarami napięć w recywistym układie asilania prostownika sterowanego 6-pulsowego. Prototypowy prekładnik dostosowano do wartości namionowej napięcia asilającego tak, aby wartość prądu pierwotnego wynosiła ma pry reystancji R = 5. Badania preprowadono pry asilaniu napięciem faowym i międyfaowym. Na rys. 6 amiescono wyniki badań pry asilaniu prekładnika napięciem faowym. Na rys. 6a predstawiono prebiegi napięcia u (t) strony pierwotnej i u (t) strony wtórnej, na rys. 6b odpowiednio awartość wyżsych harmonicnych w obu prebiegach, a na rys. 6c porównanie fa poscególnych harmonicnych. Jak wynika predstawionych na rys. 6 danych prekładnik dobre prenosi prebiegi nacnie odkstałcone. Najwiękse błędy dotycą fa harmonicnych podielnych pre, a w scególności 9. i 5. Jednak awartość tych harmonicnych jest nacnie mniejsa niż dominujących harmonicnych 5, 7,, itd. Wyniki badań prebiegu napięcia u (t) pry asilaniu napięciem prewodowym predstawiono na rys. 7. W prypadku asilania napięciem faowym pobór mocy wynosił ok.,5 W, natomiast pry napięciu prewodowym ok.,8 W.
Nr 7(46) LIPIEC 9 9 WNIOSKI KOŃCOWE Prosta budowa apreentowanego w artykule prekładnika napięciowego umożliwia konstruowanie całego typoseregu prekładników na różne wartości napięć pierwotnych wykorystaniem typowego modułu. Iolowany galwanicnie od monitorowanego napięcia sygnał może stanowić wielkość kryterialną diałania wielu współcesnych układów elektroenergetycnej automatyki abepieceniowej. Pry spełnieniu podanych w artykule warunków, prekładnik charakteryuje się bardo dużą wiernością transformacji arówno pod wględem podstawowej jak i wyżsych harmonicnych. Cecha ta okupiona jest jednak wartością mocy pobieranej pre obwód pierwotny, która w ależności od rowiąania waha się w granicach od W/ kv napięcia strony pierwotnej. Zapreentowanie rowiąanie może stanowić cenne uupełnienie w diedinie niekonwencjonalnych prekładników napięciowych. Literatura. Skółka S.,Symański A.,Wiśniewski G.: kład pomiarowy wyżsych harmonicnych prądu wykorystaniem cewki Rogowskiego. Mechaniacja i Automatyacja Górnictwa 6, nr 8, s. 8-9.. Miediński B., Skółka S., Wiśniewski G., Lisowiec A.: Cewki Rogowskiego jako elementy nowocesnych układów automatyki i pomiarów. Mechaniacja i Automatyacja Górnictwa 7, nr, s. -.. Skółka S., Wiśniewski G., Fjałkowski Z., Lisowiec A.: Filtr składowej erowej prądu cewką Rogowskiego w środowisku prądów odkstałconych. Mechaniacja i Automatyacja Górnictwa. 8, nr 7-8, s. 5-. 4. Nowic R.: Prekładniki napięciowe. Klasycne, specjalne i niekonwencjonalne. Monografie Politechniki Łódkiej, Łódź. 5. Winkler W., Wisniewski A.: Automatyka abepieceniowa w systemach elektroenergetycnych. Wyd. PWN Warsawa 9. 6. Skółka S., Wiśniewski G.: Prekładnik napięciowy, głosenie patentowe P8695 dnia.. 8. Recenent: dr inż. Marcin Habrych MINIATRE VOLTAGE TRANSFORMER FOR OPERATION WITHIN INNOVATIVE MONITORING- PROTECTING SYSTEMS One of three ideas of a voltage transformer of a very low power developed by the Institute of Electrical Power Engineering of Wrocław niversity of Technology has been presented in the paper. The voltage transformer will be designed for innovative present-day measuring and monitoring systems based on microprocessor technology. The first research and test results regarding transformation fidelity have been shown. МИНИАТЮРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С СОВРЕМЕННЫМИ МОНИТОРИНГО-ПРЕДОХРАНЯЮЩИМИ СИСТЕМАМИ В статье представлена одна из трех разработанных в Институте Энергоэлектрики Вроцлавского Политехнического института концепций измерительного трансформатора напряжения дробной силы, посвященного современным измерительным и мониторинговым системам, базирующим на микропроцессорной технике. Умещены вступительные результаты исследований достоверности трансформации.