Badanie przekładnika prądowego

Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Ćwiczenia laboratoryjne nstrukcja do ćwiczenia Badanie przekładnika prądowego Autor: dr inż. Sergiusz Boron Gliwice, czerwiec 2009

-2- Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową, właściwościami i podstawowymi parametrami indukcyjnych przekładników prądowych stosowanych do zasilania obwodów wtórnych i pomocniczych w rozdzielnicach oraz z metodami i warunkami ich badania. W zakres ćwiczenia wchodzą wybrane próby i badania, które mogą być przydatne dla użytkowników przekładników prądowych stosowanych w kopalnianych układach elektroenergetycznych. 1. Uwagi wstępne Przekładnik prądowy jest to przetwornik służący do zasilania przyrządów pomiarowych, mierników, przekaźników i podobnych aparatów, w którym prąd wtórny, w normalnych warunkach pracy, jest praktycznie proporcjonalny do prądu pierwotnego. przedmiotem niniejszego ćwiczenia jest badanie przekładników prądowych indukcyjnych, czyli transformatorów prądowych. Do zadań przekładników prądowych należy: przetwarzanie prądów pierwotnych, w tym również o znacznych wartościach, na prądy wtórne o wartościach znormalizowanych, co umożliwia stosowanie ujednoliconych przyrządów pomiarowych, galwaniczna separacja obwodów pomiarowych i automatyki elektroenergetycznej od obwodów pierwotnych (głównych torów prądowych) układu elektroenergetycznego, co pozwala na bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych, regulacyjnych i zabezpieczeń, dostarczanie określonych sygnałów układom automatyki elektroenergetycznej poprzez sumowanie prądów wtórnych (w tym również pochodzących z różnych punktów układu elektroenergetycznego) przekładników połączonych w odpowiednie układy. Z uwagi na sposób wykonania uwzględniający przystosowanie do określonych warunków środowiskowych wyróżnia się przekładniki : wnętrzowe, napowietrzne, natomiast w zależności od rodzaju użytego materiału izolacyjnego przekładniki dzieli się na: suche (z izolacją porcelanową, papierową, kondensatorową, żywiczną lub z innego tworzywa sztucznego), małoolejowe (z izolacją papierowo-olejową). Z uwagi na sposób mocowania przekładników prądowych można je podzielić m.in. na: wsporcze, mocowane podstawą do konstrukcji nośnej, przepustowe, stosowane do połączenia obwodów oddzielonych ścianami, szynowe, przystosowane do nałożenia na szynę sztywną, będącą jednocześnie jednozwojowym uzwojeniem pierwotnym. Główne elementy przekładnika to uzwojenie pierwotne oraz jedno lub kilka uzwojeń wtórnych nawinięte na wspólnym rdzeniu. Uzwojenie wtórne przekładnika włącza się szeregowo w tor prądowy pierwotny, przy czym z uwagi na fakt, że impedancja przekładnika jest kilka rzędów wielkości mniejsza od impedancji obwodu do którego przekładnik jest włączony, parametry i stan obciążenia strony wtórnej przekładnika praktycznie nie wpływają na prąd w obwodzie pierwotnym. Jeżeli obwód magnetyczny przekładnika pracuje na liniowej części charakterystyki magnesowania, prąd w uzwojeniu wtórnym 2 jest praktycznie proporcjonalny do prądu w uzwojeniu pierwotnym 1, przy czym zachodzi zależność (1), 1z1 2z2

-3- gdzie z 1 i z 2 oznaczają liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Wśród najważniejszych parametrów przekładników prądowych należy wymienić: znamionowy prąd pierwotny np, przy czym znormalizowanymi wartościami są 10 12,5 15 20 25 30 40 50 60 75 A i ich dziesiętne wielokrotności i części (wartości zalecane są podkreślone), znamionowy prąd wtórny ns, przy czym znormalizowanymi wartościami są 1 A, 2 A i 5 A, wartością zalecaną jest 5 A, przekładnia znamionowa K n, równa stosunkowi znamionowych prądów pierwotnego i wtórnego: np K n =, np. K n =100/5 A (2), ns przekładnia rzeczywista stosunek rzeczywistego prądu pierwotnego p do rzeczywistego prądu wtórnego s, moc znamionowa wartość mocy pozornej (wyrażona w woltoamperach), którą przekładnik jest zdolny zasilać obwód wtórny przy znamionowym prądzie wtórnym i obciążeniu znamionowym (przy którym określone są wymagania w zakresie dokładności przekładnika); znormalizowanymi wartościami mocy znamionowej są 2,5 5 10 15 30 VA (produkowane mogą być również przekładniki o większej mocy znamionowej, np. 45, 60 lub 90 VA), znamionowy krótkotrwały prąd cieplny th, wartość skuteczna prądu pierwotnego, który przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać przez 1 s bez uszkodzenia, znamionowy prąd dynamiczny dyn, wartość szczytowa prądu pierwotnego, który przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia elektrycznego lub mechanicznego w wyniku działania sił elektromagnetycznych, błąd prądowy (błąd przekładni) błąd, który przekładnik wprowadza do pomiaru prądu, wynikający z tego, że przekładnia rzeczywista nie jest równa przekładni znamionowej; błąd wyrażony w procentach jest określony wzorem: ( K ) 100 n s p % = (3), p błąd kątowy kąt fazowy między wektorami prądów pierwotnego i wtórnego, błąd całkowity wartość skuteczna prądu w stanie ustalonym, będącego różnicą pomiędzy chwilowymi wartościami rzeczywistego prądu wtórnego i s pomnożonymi przez znamionową przekładnię przekładnika a chwilowymi wartościami prądu pierwotnego i p, przy oznaczeniu kierunku przepływu prądów pierwotnego i wtórnego, zgodnymi z przyjętą zasadą oznaczania zacisków; błąd całkowity jest wyrażany w procentach wartości skutecznej prądu pierwotnego, zgodnie z zależnością: T 100 1 2 ε c = ( Knis ip ) dt (4), T gdzie: T czas trwania jednego okresu. Dla prądów sinusoidalnych błąd ten może być określony z wyrażenia: p 0

-4- gdzie r s oraz przekładnika. r r Kn s p ε c = r 100 (5), p r p oznaczają wektorowe wartości prądów wtórnego i pierwotnego Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się następujące rodzaje przekładników prądowych: przekładniki do pomiarów, które służą do zasilania przyrządów pomiarowych (amperomierze, cewki prądowe watomierzy, liczników energii itp.), przekładniki do zabezpieczeń, które służą do zasilania przekaźników zabezpieczeniowych. Od przekładników do pomiarów wymaga się dużej dokładności transformacji w normalnych warunkach pracy systemu elektroenergetycznego, natomiast nie mają znaczenia błędy transformacji w krótkotrwałych stanach zakłóceniowych (np. podczas zwarć). Dokładny pomiar prądu zwarciowego, wielokrotnie przekraczającego prądy robocze (a więc również zakresy pomiarowe przyrządów), mógłby spowodować zniszczenie mierników. Z tego względu przekładniki te powinny posiadać liniową charakterystykę magnesowania w zakresie obciążeń roboczych, natomiast przy większych obciążeniach powinno następować szybkie nasycanie rdzenia powodujące ograniczenie prądu po stronie wtórnej przekładnika. Przekładniki do zabezpieczeń powinny się natomiast charakteryzować określoną dokładnością transformacji w zakresie prądów zakłóceniowych, wielokrotnie przekraczających prąd znamionowy przekładnika. Z tego względu charakterystyka magnesowania tych przekładników powinna być liniowa dla prądów wielokrotnie przekraczających zakres obciążeń roboczych, jednocześnie wymagania odnośnie do dokładności w zakresie prądów roboczych są mniejsze niż dla przekładników do pomiarów. Opisane wyżej właściwości przekładników prądowych charakteryzowane są przez następujące parametry: przekładniki do pomiarów: o znamionowy prąd pierwotny bezpieczny przyrządu PL wartość skuteczna minimalnego prądu pierwotnego, przy którym błąd całkowity przekładnika jest równy lub większy niż 10% przy obciążeniu znamionowym, o współczynnik bezpieczeństwa przyrządu FS stosunek znamionowego prądu pierwotnego bezpiecznego do znamionowego prądu pierwotnego: PL FS = (6), pn przy czym faktyczny współczynnik bezpieczeństwa zależy od obciążenia przekładnika, przekładniki do zabezpieczeń: o znamionowy graniczny prąd pierwotny pngr wartość skuteczna prądu pierwotnego, dla którego przekładnik spełnia wymagania w zakresie błędu całkowitego (wymagania te wynikają z klasy przekładnika), o współczynnik graniczny dokładności n gr stosunek znamionowego prądu granicznego pierwotnego do znamionowego prądu pierwotnego:

-5- pngr n gr = (7), pn przy czym znormalizowanymi wartościami współczynnika n gr są 5 10 15 20 30. Dla przekładników do pomiarów wartości współczynnika bezpieczeństwa FS mieszczą się z reguły w przedziale 3 5, przy czym im niższa wartość tego współczynnika, tym lepsza ochrona zasilanych z przekładnika przyrządów przed skutkami przetężeń. Znormalizowane klasy dokładności przekładników prądowych do pomiarów wynoszą 0,1 0,2 0,5 1 3 5. Liczby oznaczające klasę są jednocześnie granicznymi dopuszczalnymi wartościami błędu prądowego przy prądzie znamionowym i obciążeniu zawartym w granicach od 25% do 100% znamionowego. Klasa dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń jest oznaczona przez największy dopuszczalny błąd całkowity wyrażony w procentach przy znamionowym granicznym prądzie pierwotnym, poprzedzający literę P. Znormalizowanymi klasami dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń są 5P i 10P. Błąd prądowy przy prądzie znamionowym pierwotnym nie powinien przekraczać ±1% dla przekładników klasy 5P i ±3% dla klasy 10P. 2. Opis stanowiska laboratoryjnego Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w przekładnik prądowy badany, dwa przekładniki prądowe wzorcowe, transformator prądowy służący do zasilania obwodu pomiarowego wraz z regulatorem indukcyjnym (dławikiem), opornik suwakowy do ustawiania mocy obciążenia przekładnika oraz zestaw przyrządów pomiarowych. 3. Program ćwiczenia W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić: oględziny badanego przekładnika prądowego, sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków, pomiar błędu prądowego przy przetężeniach, wyznaczenie znamionowego prądu pierwotnego bezpiecznego PL oraz współczynnika bezpieczeństwa FS badanego przekładnika, pomiar błędu kątowego przy przetężeniach, pomiar wartości i sprawdzenie przebiegu napięcia na rozwartych zaciskach strony wtórnej przekładnika. 3.1. Oględziny W ramach oględzin należy zwrócić uwagę na: sposób i czytelność oznaczenia zacisków przekładnika, dane zawarte na tabliczce znamionowej przekładnika, przy czym zgodnie z normą [1] wszystkie przekładniki powinny mieć m.in. następujące oznaczenia: o nazwa wytwórcy lub inny znak, za pomocą którego przekładnik może być łatwo zidentyfikowany, o numer seryjny lub oznaczenie typu (najlepiej obydwa oznakowania),

-6- o znamionowe prądy pierwotny i wtórny w postaci: K n = pn / sn A (np. K n =100/5 A), o częstotliwość znamionowa (np. 50 Hz), o moc znamionowa i odpowiadająca jej klasa dokładności, o najwyższe napięcie urządzenia, o znamionowy poziom izolacji, o znamionowy krótkotrwały prąd cieplny ( th ) i znamionowy prąd dynamiczny ( dyn ), o klasa izolacji, jeżeli jest inna niż klasa A, obecność zacisku uziomowego, ewentualne widoczne uszkodzenia lub wady wykonania. 3.2. Sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków Zgodnie z normą [1] zaciski przekładnika jednoprzekładniowego powinny odpowiadać oznaczeniom podanym na rys. 1a, jednak przekładniki starsze mogą posiadać oznaczenia K (odpowiadające zaciskowi P1), L (P2), k (S1) i l (S2). Oznaczenia zacisków powinny być takie, aby w danej chwili zaciski oznaczone P1 i S1 miały tę samą biegunowość, tzn. gdy chwilowy kierunek prądu w uzwojeniu pierwotnym jest od P1 do P2, w uzwojeniu wtórnym chwilowy kierunek prądu powinien być od S1 do S2. Oznaczenia zacisków przekładników z zaczepem w uzwojeniu wtórnym przedstawiono na rys. 1b, a przekładników z dwoma uzwojeniami wtórnymi na rys. 1c. a) b) c) Rys. 1. Oznaczenie zacisków przekładników: a) jednoprzekładniowego, b) z zaczepem w uzwojeniu wtórnym, c) z dwoma uzwojeniami wtórnymi, każde na własnym rdzeniu (podano dwa alternatywne sposoby oznaczania).

-7- Sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków najczęściej wykonywane jest metodą prądu przemiennego, dla której schemat połączeń przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Schemat układu do sprawdzania prawidłowości oznaczeń zacisków przekładnika prądowego. PB przekładnik badany, PW przekładnik wzorcowy, DŁ dławik regulacyjny, TW transformator wielkoprądowy. Przekładnik wzorcowy PW powinien mieć taką samą przekładnię jak przekładnik badany. Za pomocą dławika regulacyjnego należy tak ustawić wartość prądu, aby w obwodzie wtórnym przekładnika PW prąd był w przybliżeniu równy prądowi znamionowemu. Jeżeli oznaczenia zacisków są prawidłowe to wskazanie amperomierza A 2, przez który płynie różnica prądów wtórnych, będzie bliskie zeru, w przeciwnym razie będzie bliskie dwukrotnej wartości prądu znamionowego wtórnego. Podczas badań przekładników prądowych w miejscu ich zainstalowania, powyższa metoda może być uciążliwa lub wręcz niemożliwa do zastosowania. W takich przypadkach można zastosować inną metodę, której zasadę przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Schemat układu do uproszczonego sprawdzania prawidłowości oznaczeń zacisków przekładnika prądowego. Uzwojenie pierwotne łączy się poprzez łącznik ze źródłem napięcia stałego (np. zwykłą baterią). Do zacisków uzwojenia wtórnego przyłącza się woltomierz magnetoelektryczny tak, że jeśli dodatni biegun baterii połączony jest z zaciskiem P1, to dodatni zacisk woltomierza łączy się z zaciskiem S1 przekładnika. Jeśli po zwarciu styków łącznika wskazówka woltomierza wychyli się w prawo, to oznaczenie zacisków jest poprawne.

-8-3.3. Pomiar błędu prądowego i współczynnika bezpieczeństwa Pomiar błędu prądowego oraz współczynnika bezpieczeństwa przeprowadza się przy użyciu układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Schemat układu do pomiaru błędu prądowego i wyznaczania współczynnika bezpieczeństwa przekładnika prądowego W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiary błędów prądowych dla zakresu prądów pierwotnych (1 5) Bpn przy czterech różnych wartościach mocy obciążenia: 0,5 S n ; S n ; 1,5 S n i 2 S n ( Bpn oznacza znamionowy prąd pierwotny przekładnika badanego). Żądaną wartość mocy obciążenia przekładnika S o uzyskuje się poprzez zmianę rezystancji opornicy R 0 tak, aby przy znamionowej wartości prądu wtórnego ( 1s = Bsn = 5 A) spełniona była zależność: S o = U (8), 2 gdzie U 2 oznacza wartość napięcia na zaciskach strony wtórnej badanego przekładnika. Wypadkowa impedancja obciążenia przekładnika badanego jest wypadkową impedancji opornicy R 0 oraz impedancji przekładnika wzorcowego PW1 z przyłączonym do niego amperomierzem A 1. Przekładnia przekładnika wzorcowego PW2 powinna być tak dobrana, aby pracował on w swoim zakresie znamionowym, natomiast przekładnia przekładnika wzorcowego PW1 powinna być tak dobrana, aby iloczyn przekładni tego przekładnika K 1n i przekładnika badanego K Bn był równy przekładni przekładnika PW2 K 2n : K 2sn 2n K Bn K1n = (9). Pomiar wartości współczynnika bezpieczeństwa FS wykonuje się dla podanych wyżej wartości mocy obciążenia w ten sposób, że zwiększa się prąd pierwotny p do chwili, w której prąd 1s wskazywany przez amperomierz A 1 wynosi 90% prądu 2s pokazywanego przez amperomierz A 2 (błąd prądowy osiąga wówczas ujemną wartość 10%). Współczynnik bezpieczeństwa FS oblicza się z równania FS K 2s 2n = (10). Bpn

-9- Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 1. Tabela 1 p 1s 2s 1s S o % Lp. [ Bpn ] [A] [A] [A] [VA] [ Sn] [%] 0,5 1,0 2,0 FS 3.4. Pomiar błędu całkowitego Błąd całkowity jest wielkością istotną głównie w przypadkach, gdy przekładnik prądowy stanowi element układu sumującego, złożonego z wielu przekładników o połączonych uzwojeniach wtórnych. Układy takie są wykorzystywane głównie przy zasilaniu urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Pomiar błędu całkowitego można przeprowadzić z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Schemat układu do pomiaru błędu całkowitego przekładnika prądowego

-10- W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiary błędów prądowych dla zakresu prądów pierwotnych (1 5) Bpn przy czterech różnych wartościach mocy obciążenia: 0,5 S n ; S n ; 1,5 S n i 2 S n. Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 2. Tabela 2 Lp. p 2s ' 2s 1s S o ε c [ Bpn ] [A] [A] [VA] [ Sn] [%] 0,5 1,0 3.5. Badanie przekładnika przy rozwartym uzwojeniu wtórnym Przy rozwarciu uzwojenia wtórnego cały prąd pierwotny jest prądem magnesującym, z tego względu nawet przy niewielkiej wartości tego prądu (znacznie mniejszej od prądu znamionowego), przekładnik ulega nasyceniu. Konsekwencją takiego stanu może być zwiększone nagrzewanie się rdzenia i przepięcia w uzwojeniu wtórnym. W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiar wartości oraz obserwację przebiegu napięcia pojawiającego się na otwartych zaciskach strony wtórnej przekładnika przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego różnymi wartościami prądu. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 6. 2,0 Rys. 6. Schemat układu do badania przekładnika przy rozwartym uzwojeniu wtórnym Pomiar napięcia należy wykonać woltomierzem elektronicznym, natomiast przebieg napięcia obserwuje się na ekranie oscyloskopu. Wartość prądu po stronie pierwotnej badanego przekładnika należy zwiększać stopniowo od zera do wartości znamionowej, następnie prąd

-11- należy płynnie zmniejszać w celu rozmagnesowania rdzenia. Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 3. Tabela 3 p U s n 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 [A] [V] 4. Sprawozdanie z ćwiczenia Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: opis celu i zakresu wykonanych badań, opis i dane znamionowe badanego przekładnika prądowego oraz przekładników wzorcowych, schematy układów pomiarowych wykorzystanych podczas realizacji ćwiczenia, wyniki pomiarów zestawione w postaci tabelarycznej, wykresy zależności: o % = f ( p ) dla S o = const, o % = f (S o ) dla p = const, o FS = f (S o ), o ε c = f ( p ) dla S o = const, o ε c = f (S o ) dla p = const, o U s = f ( p ), odrysowany lub sfotografowany przebieg napięcia na rozwartych zaciskach strony wtórnej przekładnika, wnioski wynikające z ćwiczenia i przeprowadzonych pomiarów. 5. Literatura [1]. PN-EN 60044-1:2000 Przekładniki. Przekładniki prądowe. [2]. A. Wiszniewski. Przekładniki w elektroenergetyce. WNT, Warszawa 1982. [3]. A. Koszmider, J. Olak, Z. Piotrowski. Przekładniki prądowe. WNT, Warszawa 1985.