Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki nstrukcja do zajęć laboratoryjnych Ćwiczenie nr 1 Temat: Badanie przekładników prądowych konwencjonalnych przeznaczonych do zabezpieczeń Laboratorium z przedmiotu: Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa Kod: Białystok 007
1. WPROWADZENE 1.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobami badania przekładników prądowych konwencjonalnych przeznaczonych do współpracy z zabezpieczeniami elektroenergetycznymi. 1.. Rola i wymagania stawiane przekładnikom prądowym przeznaczonym do zabezpieczeń Głównym celem stosowania przekładników prądowych w układach zabezpieczeń elektroenergetycznych jest odizolowanie urządzeń zabezpieczeniowych od obwodów pierwotnych wysokonapięciowych oraz przetwarzanie różnych wartości prądów pierwotnych na wartości znormalizowane, co umożliwia typizację zabezpieczeń. Od przekładników prądowych, których zadaniem jest dostarczenie zabezpieczeniom informacji o prądach przy zwarciach w danym elemencie systemu elektroenergetycznego (SEE), wymaga się głównie zapewnienia dostatecznie dobrej transformacji w tych warunkach, przy nieco łagodniejszych wymaganiach w zakresie prądów znamionowych. 1.3. Schemat zastępczy przekładnika prądowego konwencjonalnego Przekładnik prądowy konwencjonalny jest transformatorem jednofazowym i posiada dwa uzwojenia pierwotne i wtórne, nawinięte na rdzeniu ferromagnetycznym. Schemat ideowy takiego przekładnika przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat ideowy przekładnika prądowego konwencjonalnego Zaciski uzwojenia pierwotnego są oznaczone literami P1 (K) i (P) L, natomiast uzwojenia wtórnego literami S1 (k) i S (l), przy czym litery K i k oznaczają początki a L i l końce uzwojeń odpowiednio pierwotnego i wtórnego. Przy tak dobranych oznaczeniach prąd
wtórny płynący przez obciążenie przekładnika (np. przekaźnik, człon wejściowy zespołu zabezpieczeń) jest w fazie z prądem pierwotnym. Dla przekładnika prądowego, podobnie jak dla transformatora, można zastosować schemat zastępczy, przedstawiony na rys. a. Na schemacie tym parametry przekładnika przeliczone są na stronę wtórną, a przez Z 0 oznaczono impedancje obciążenia zewnętrznego obwodu wtórnego. Rezystancja i reaktancja uzwojenia pierwotnego (przeliczone na stronę wtórną) nie są istotne przy rozpatrywaniu pracy przekładnika i można je pominąć, gdyż prąd pierwotny przeliczony R 1 1 X 1 jest prądem wymuszanym. a) b) c) Rys.. Schemat zastępczy przekładnika prądowego konwencjonalnego: a) pełny i b) uproszczony oraz c) wykres wskazowy przekładnika Oznaczając przez Z łączną impedancję obwodu wtórnego przekładnika, tzn. Z = Z + Z 0, a przez Z µ impedancję magnesowania, schemat zastępczy przekładnika prądowego konwencjonalnego można przedstawić w postaci uproszczonej (rys. b), któremu odpowiada wykres wskazowy podany na rys. c. 1.4. Warunki pracy i wymagania w zakresie dokładności przekładników prądowych Przedstawiony w pkt. 1.3 schemat zastępczy przekładnika prądowego (rys. b) i odpowiadający mu wykres wektorowy (rys. c) można wykorzystać do opisu analitycznego przekładnika pracującego w warunkach ustalonych w zakresie prądów znamionowych o przebiegu sinusoidalnym. Przy obciążeniu znamionowym przekładnika prądowego można 3
przyjąć, że Z >> Z i µ π / ϕ µ (przy pominięciu strat w żelazie). Zatem, nie popełniając większego błędu słuszne są zależności 1 + µ sinϕ, (1) oraz gdzie: δ i - kąt między wektorami prądu i ϕ - kąt fazowy impedancji Z. µ µ δ cos ϕ i = arctg cosϕ, () 1 1 1, Dokładność przekładnika prądowego w zakresie prądów znamionowych jest określana za pomocą błędów: prądowego, kątowego i wskazowego, które definiowane są następująco: - błąd prądowy wyrażony w procentach 100 ( ϑn = - błąd kątowy wyrażony w centyradianach 1 1) = 100 - błąd sumaryczny (całkowity) wyrażony w procentach 1 1, (3) δ i = 100 arg, (4) 1 100 = 100, (5) ϑ n 1 µ = 1 1 gdzie 1n ϑ n = - przekładnia znamionowa przekładnika prądowego (równa przekładni n zwojowej ϑ z = w w 1, o ile nie zastosowano w nim poprawki zwojowej; w 1 i w liczba zwojów strony odpowiednio pierwotnej i wtórnej). Uwzględniając wzory (1) (5) oraz zakładając, że ϑ = ϑ, poszczególne błędy można zapisać następująco: µ sinϕ 100 = 100 sinϕ, 1 δ i w cos ϕ, 100 Z = ( ) + δ i. Z + Z µ n z 4
Z analizy ostatnich wyrażeń wynika, że o wartości poszczególnych błędów decyduje głównie stosunek impedancji obwodu wtórnego Z do impedancji magnesowania Z µ, przy czym najmniejszy błąd prądowy wystąpi, gdy obciążenie przekładnika prądowego będzie miało charakter rezystancyjny (ϕ 0 o ), błąd kątowy zaś w tych warunkach będzie największy. mpedancja obwodu wtórnego zależy głównie od impedancji obciążenia przekładnika, dlatego też dla przekładników prądowych, oprócz znamionowej przekładni ϑ n i znamionowego prądu wtórnego n, wprowadza się pojecie mocy znamionowej przekładnika S n wyrażonej wzorem Sn n Z 0n =, gdzie Z 0n znamionowa impedancja obciążenia (przy cosϕ = 0,8 ind.). Czasami, w celu zmniejszenia błędów transformacji, wprowadza się w przekładnikach prądowych poprawkę zwojową. Polega ona na zmniejszeniu przekładni zwojowej ϑ z w stosunku do znamionowej ϑ n. Prowadzi to do zwiększenia prądu wtórnego i skompensowania w ten sposób prądu magnesującego, który przy braku korekcji powodował, że prąd był mniejszy od 1. Ten sposób postępowania daje pożądane efekty dla przekładników o dużych przekładniach prądowych. W przypadku przekładników o małych przekładniach zmiana liczby zwojów uzwojenia wtórnego o jeden zwój może prowadzić nie do zmniejszenia, ale do wzrostu błędów. W warunkach przetężenia, wraz ze wzrostem prądu pierwotnego (powyżej około 10% prądu znamionowego) coraz szybciej wzrasta prąd magnesujący µ ze względu na nieliniowość charakterystyki magnesowania przekładnika, co powoduje wzrost błędów transformacji. stnieje jednak pewien zakres prądów przetężeniowych, dla których przekładnik utrzymuje jeszcze wystarczającą dokładność dla celów zabezpieczeniowych. W przypadku przekładników zabezpieczeniowych urządzenia EAZ powinny otrzymywać od nich możliwie poprawną informację o prądach płynących podczas zwarcia, a więc podczas transformacji przez przekładniki prądów wielokrotnie większych od ich prądów znamionowych. Zakres prądu pierwotnego, do którego transformację tę można uznać za wystarczająco dokładną wyznacza znamionowy prąd graniczny 1g. Jest to największa wartość prądu pierwotnego, do której przekładnik obciążony znamionowo spełnia wymagania określone w normie dla przekładników danej klasy w zakresie błędu całkowitego ε c. Błąd całkowity jest to błąd wyznaczany przy uwzględnieniu znacznego odkształcenia prądu 5
magnesowania przekładnika wskutek występowania wyższych harmonicznych (ze względu na nieliniowość charakterystyki magnesowania) w warunkach przetężeniowych. Znamionowemu prądowi granicznemu odpowiada znamionowy współczynnik graniczny dokładności K gn, który wynosi K gn 1g =. 1n Znamionowy współczynnik graniczny dokładności określa zakres poprawnej transformacji dla stanu ustalonego w warunkach obciążenia znamionowego przekładnika prądowego. Dla obciążenia innego niż znamionowe rzeczywista wartość współczynnika granicznego dokładności jest różna od znamionowej. Rzeczywistą wartość współczynnika granicznego dokładności odpowiadającą obciążeniu Z 0 wyznacza się ze wzoru K g Z + Z 0n = K gn. Z + Z 0 Z wyrażenia na K g wynika, że zależność K g =f(z 0 ) ma w przybliżeniu przebieg hiperboliczny, co pokazano na rys. 3. Rys. 3. Zależność współczynnika granicznego dokładności przekładnika prądowego od impedancji (mocy obciążenia) obwodu wtórnego Dla osi odciętych zamiast impedancji obciążenia Z 0 może być przyjęta proporcjonalna do niej wartość mocy obciążenia S 0, wyrażonej wzorem S 0 n Z 0 =. Do orientacyjnego wyznaczania rzeczywistego współczynnika granicznego dokładności przekładnika można korzystać z zależności przybliżonej K g Sn K, gdzie: S n moc znamionowa przekładnika prądowego, S 0 moc obciążenia rzeczywistego. 6 gn S 0
Wymagania z zakresie dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń zawiera norma PN-EC184+A1. Dla przekładników zabezpieczeniowych norma wyróżnia się dwie klasy dokładności oznaczone 5P i 10P. Dopuszczalne błędy tych przekładników podano w tab. 1. Tab. 1. Dopuszczalne błędy przekładników prądowych zabezpieczeniowych Klasa Błąd prądowy [%] przy 1 = 1n Błąd kątowy δ i [±min] przy 1 = 1n Błąd wskazowy w [%] przy 1 = 1n 5P 1 60 5 10P 3 nie normowany 10 Przy określaniu błędów prądowych i kątowych obciążenie powinno mieć cosϕ 0 = 0,8 ind., natomiast przy określaniu błędu całkowitego cosϕ 0 może się zawierać w przedziale 0,8 1 ind. Znormalizowanymi wartościami współczynnika granicznego dokładności K g są: 5, 10, 15, 0, 30.. PROGRAM ĆWCZENA Zakres ćwiczenia obejmuje następujące badania: sprawdzenie poprawności oznaczeń zacisków przekładnika, sprawdzenie przekładni, wyznaczenie charakterystyki magnesowania, wyznaczenie współczynnika granicznego dokładności, pomiar przyrostu temperatury uzwojeń przekaźnika na prąd stały..1. Sprawdzenie poprawności oznaczeń zacisków przekładnika Schemat układu pomiarowego do sprawdzenia oznaczeń przekładnika prądowego przedstawiony jest na rys. 4. 7
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do sprawdzenia oznaczeń zacisków przekładnika prądowego Jeśli przy zamykaniu wyłącznika Ł w obwodzie pierwotnym przekładnika wskazówka woltomierza wychyli się w kierunku dodatnim (w kierunku skali), to będzie to świadczyło o poprawnym oznaczeniu zacisków przekładnika... Sprawdzenie przekładni przekładnika Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 5. Za pomocą przekładnika wzorcowego (laboratoryjnego) PW o pomijalnym błędzie prądowym i amperomierza A 1 ustala się prąd w obwodzie obejmującym uzwojenia pierwotne przekładników prądowych wzorcowego i badanego PB. Amperomierz A mierzy prąd wtórny przekładnika badanego. Rys. 5. Schemat układu pomiarowego do sprawdzania przekładni przekładnika prądowego do zabezpieczeń Należy sprawdzić przekładnię dla 100% wartości prądu znamionowego, przy obciążeniu znamionowym i cosϕ = 0,8 ind. Do pomiarów należy użyć amperomierzy o klasie dokładności o jeden rząd wyższej od klasy badanego przekładnika..3. Wyznaczenie charakterystyki magnesowania Charakterystykę magnesowania przekładnika prądowego wyznacza się w celu wykrycia zwarć zwojowych w uzwojeniach przekładnika oraz ustalenia współczynnika granicznego dokładności K g metodami pośrednimi. 8
Charakterystykę magnesowania przekładnika prądowego wyznacza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 6. Z uwagi na fakt, że impedancja jest stosunkowo duża, stosuje się układ poprawnie mierzonego prądu. Obwód pierwotny przekładnika, tzn. zaciski P1 (K) i P (L) musi być otwarty. Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki magnesowania przekładnika prądowego Do pomiarów należy używać mierników klasy dokładności 1. W celu uniknięcia załamań i nieciągłości charakterystyki, nie powinno się w czasie pomiaru zmieniać zakresu przyrządów pomiarowych. ch zakresy należy dobrac tak, aby objeły wszystkie wartości od minimalnej do maksymalnej wielkości mierzonej. Pomiary należy rozpocząć przy napięciu nie wyższym niż 10V, a kończyć, gdy prąd osiągnie wartość równą 1, prądu znamionowego wtórnego. Wyniki pomiarów należy zestawić w tab.. Tab. Zestawienie wyników pomiarów charakterystyki magnesowania przekładnika prądowego Wielkość Pomiary pomiarowa 1 3 4 5 6 7 8 9 10 U 0 V A 0 Na podstawie wyników pomiarów zamieszczonych w tab. należy wykreślić charakterystykę magnesowania przekładnika prądowego. 3.4. Wyznaczenie współczynnika granicznego dokładności Współczynnik graniczny dokładności przekładnika prądowego można wyznaczać metodą bezpośrednią lub, mniej dokładnie, metodami pośrednimi. Norma PN-EC185+A1 zaleca stosowanie metody bezpośredniej zarówno do badań pełnych jak i niepełnych przekładnika. 9
Metoda bezpośrednia Metoda bezpośrednia polega na pomiarze błędu całkowitego dla danej klasy dokładności przekładnika prądowego w warunkach rzeczywistych. Schemat ideowy układu pomiarowego przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania błędu całkowitego oraz współczynnika granicznego dokładności przekładnika prądowego metodą bezpośrednią Przekładnik prądowy wzorcowy PW musi charakteryzować się pomijalnie małym błędem całkowitym. Metoda ta wymaga źródła prądowego o dużej mocy i prowadzi do silnego nagrzewania się przekładnika w trakcie badania. Błąd całkowity 5% lub 10% oraz odpowiadające im wartości współczynników granicznych dokładności wyznacza się ze stosunku prądu mierzonego amperomierzem A do prądu mierzonego amperomierzem A 1. Metody pośrednie W metodach pośrednich wyznaczenie rzeczywistej wartości współczynnika granicznego dokładności odbywa się najczęściej na podstawie znajomości charakterystyki magnesowania i charakterystyki obciążenia przekładnika. W praktyce stosuje się najczęściej jedną z następujących metod wykreślną, obliczeniowo wykreślną lub wykorzystującą odwzorowanie prądu magnesowania przekładnika. Metoda obliczeniowo wykreślna. W układzie współrzędnych (U, ) wykreśla się charakterystykę magnesowania przekładnika U 0 = f( 0 ) (patrz pkt..3) oraz prostą 1 (rys. 8) o równaniu 100 U = 0 ( Z + Z0 ), ε gdzie ε c błąd całkowity równy 5% dla przekładników 5P lub 10% dla przekładników klasy 10P. c 10
Rys. 8. Przebiegi napięcia U 0 i U w zależności od 0 w metodzie oliczeniowo wykreślnej wyznaczania rzeczywistej wartości współczynnika granicznego dokładności przekładnika prądowego obciążonego impedancją Z 0 Punkt przecięcia prostej 1 z charakterystyką magnesowania przekładnika wyznacza wartość napięcia U x, na podstawie którego oblicza się rzeczywistą wartość współczynnika granicznego dokładności według wzoru K g = U ( Z. x + Z0 ) n 3. WYMAGANA BHP W czasie wykonywania badań należy zachować ostrożność i rozwagę z uwagi na bezpośredni kontakt z urządzeniami elektrycznymi pod napięciem oraz stosować się do w postanowień Regulaminu odbywania ćwiczeń laboratoryjnych, obowiązującego w laboratoriach Katedry Elektroenergetyki. 4. SPRAWOZDANE Z ĆWCZENA Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, opis stanowiska badawczego, dane znamionowe badanego przekładnika prądowego, schematy układów pomiarowych, zestawienie i analizę wyników badań (tabele, obliczenia, wykresy i charakterystyki) oraz wnioski. LTERATURA [1] Praca zbiorowa pod red. B. Synala: Automatyka elektroenergetyczna. Ćwiczenia laboratoryjne. Część 1. Przetworniki sygnałów pomiarowych i przekaźniki automatyki 11
zabezpieczeniowej. Część. Układy automatyki zabezpieczeniowej i regulacyjnej. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1991. [] Dawid Z., Halinka A., Mikrut M., Pilch Z., Szewczyk M., Witek B., Winkler W.: Laboratorium elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999. [3] Szymańscy A. i S.: Laboratorium zabezpieczeń elektroenergetycznych. Skrypt Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 1997. [4] Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1999. [5] Żydanowicz J., Namiotkiewicz M.: Automatyka zabezpieczeniowa w elektroenergetyce. WNT, Warszawa 1983. 1