Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 54 Politechniki Wrocławskiej Nr 54 Studia i Materiały Nr 23 2003 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, 50-370 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19
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
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
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
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
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
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
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, 1964. [2] FULIŃSKI W.: Nowe metody bezwzględnego pomiaru uchybów przekładników. Zesz. Nauk. PWr. Elektryka XXXI, Nr 177, Wrocław, 1967. [3] FULIŃSKI W.: Układ do sprawdzania przekładników napięciowych. Patent nr PL 180 528 B1. Urząd Pat. RP 28.02.2001r. WUP 02/01 [4] FULIŃSKI W., LESZCZYŃSKI J.: Układ do sprawdzania przekładników napięciowych za pomocą kondensatorów wzorcowych, KKM 98,Wyd. Pol. Gdańska, Gdańsk, 1998. [5] PN-IEC 186 + A1:1994 Polska Norma Przekładniki napięciowe. [6] FULIŃSKI W., LESZCZYŃSKI J.: Układy pomiarowe do sprawdzania przekładników nieznormalizowanych. Przegląd Elektrotechniczny, z. 3., 1974. [7] STARCZAKOW W.: Przekładniki. PWT. Warszawa, 1959. 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.