2_Zdzislaw NAWROCKI - Politechnika Wrocławska

Nr 56
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 56
Studia i Materiały
Nr 24
2004
indukcyjne dzielniki napięcia, wysokie napięcie,
układy do sprawdzania dzielników
Zdzisław NAWROCKI∗
WYSOKONAPIĘCIOWY DZIELNIK INDUKCYJNY
O PRZEKŁADNI 1000:1
Przedstawiono konstrukcję opracowanego i wykonanego wysokonapięciowego dzielnika indukcyjnego na napięcie 1000V o przekładni 1000 : 1. Pokazano także układy do wyznaczania błędów
dzielnika. Wykonany dzielnik spełnia wymagania stawiane przekładnikom napięciowym kl. 0,05.
1. WSTĘP
Opracowanie w latach 30 ubiegłego wieku miękkich materiałów magnetycznych o
dużej przenikalności zwanych permalojami umożliwiło konstruowanie narzędzi pomiarowych o nowych wartościach własnych. Do takich narzędzi pomiarowych należy
zaliczyć indukcyjne dzielniki napięcia (IDN) o błędach 1·10-6, których burzliwy rozwój został zainicjowany w latach 60-tych XX wieku. Początkowo w układach pomiarowych IDN były stosowane jako wielomiarowe wzorce podziału napięcia przemiennego. Pierwotnie konstrukcje IDN umożliwiały wykorzystywanie ich w przedziale
częstotliwości akustycznych i przy napięciach nie przekraczających kilkudziesięciu
woltów. Kilkanaście lat później powstały wielomiarowe dzielniki napięcia o odmiennej konstrukcji na napięcie 350V [5] i jednomiarowe dzielniki napięcia o przekładni
1000/1 na napięcie kilku kilowoltów [6] . Wysokonapięciowe IDN mogą z powodzeniem zastąpić wzorcowe narzędzia pomiarowe podziału napięcia takie jak wzorcowe
przekładniki napięciowe, wzorcowe dzielniki pojemnościowe stosowane w układach
pomiarowych do wyznaczania błędów przekładników i przetworników, ponieważ
charakteryzują się bardzo małymi błędami na poziomie 10·10-6 [4,6].
__________
∗
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
2. KONSTRUKCJA WYSOKONAPIECIOWEGO INDUKCYJNEGO DZIELNIKA
NAPIĘCIA
Zasady budowy klasycznych IDN opisano w pozycjach literaturowych [2,3,4,5,6].
Magnetowody IDN są wykonane z permaloju, który jest stopem żelaza z niklem o
zawartości ok. 80%. Mają kształt toroidalny i są zwinięte z taśmy o grubości 0,05 mm
do 0,2 mm. Charakteryzują się dużą przenikalnością ( od kilkudziesięciu tysięcy do
kilkuset tysięcy – przenikalność względna) i bardzo małą stratnością (kilkudziesięciu
mW/kg przy f =50Hz i B=1T ) [1]. Uzwojenia IDN na napięcie do kilkudziesięciu
woltów wykonuje się jako multifilarne [2], tworzy je skrętka drutów, które następnie
są łączone szeregowo. Nawój multifilarny zapewnia, że uzwojenia mają tę samą długość i są obejmowane przez strumień o prawie tej samej wartości. W związku z tym
rezystancja uzwojeń i reaktancja rozproszenia uzwojeń o takiej samej liczbie zwojów
przyjmują bardzo zbliżone wartości i tym samym napięcia na poszczególnych sekcjach uzwojeń są prawie sobie równe [2,3,5].
Gdy dzielniki pracują przy napięciu 350V, to są stosowane inne sposoby nawijania
uzwojeń [5]. Doświadczeń autorów publikacji [2,3,4,5] nie można w pełni wykorzystać gdy dzielnik napięcia ma dużą przekładnię i jest eksploatowany przy wysokim
napięciu [6].
Dla dzielnika wysokonapięciowego należy przyjąć odpowiednio duży przekrój
rdzenia, materiał z którego jest wykonany rdzeń powinien mieć bardzo dużą przenikalność, ponadto należy określić minimalną liczbę zwojów przy której będzie spełniony dopuszczalny błąd przekładnika. Uzwojenie wysokonapięciowe musi również
spełniać odpowiednie kryteria co do wytrzymałości elektrycznej izolacji. Tiepner
skonstruował wysokonapięciowy dzielnik (8kV) o błędach napięciowym -4·10-6i kątowym +8·10-6rad (+3·10-2 min.)[6]. Uzwojenia zostały nawinięte na magnetowodzie z
miękkiego materiału ferromagnetycznego (właściwości magnetycznych tego materiału
nie podano) o przekroju 126 cm2 . Na magnetowodzie nawinięto 20 sekcji uzwojeń,
przy czym każda sekcja uzwojenia była równomiernie rozmieszczona wzdłuż obwodu
rdzenia. Pierwsze 10 sekcji uzwojenia nazwano uzwojeniem wzbudzającym, a następne 10 sekcji nawinięto z poskokiem przeciwnym i nazwano uzwojeniem stosunkowym. W celu wyrównania rezystancji uzwojeń i reaktancji rozproszenia sekcje dzielnika połączono odpowiednio równolegle. Pierwsze uzwojenie połączono z
dwudziestym, drugie z dziewiętnastym itd., a dziesiąte z jedenastym. Otrzymane w ten
sposób uzwojenie nazwano uzwojeniem głównym. Ten sposób połączeń wyrównał
także pojemności resztkowe międzyuzwojeniowe i zmniejszył ich wpływ na podział
napięcia dzielnika. Opisana konstrukcja dzielnika i zastosowana technika wyrównywania parametrów resztkowych przy relatywnie dużej przekładni 1000:1 pozwoliła na
uzyskanie precyzyjnego podziału napięcia.
Na magnetowodzie ponadto nawinięto uzwojenie odniesienia, porównawcze oraz
uzwojenie układu kompensacyjnego umożliwiające wyznaczenie błędów podziału
uzwojenia głównego. Podano również przybliżone wzory umożliwiające wyznaczenie
właściwości metrologicznych IDN.
3. OPIS WYKONANEGO DZIELNIKA NAPIĘCIA
Magnetowód dzielnika napięcia tworzą dwa toroidy wykonane z anizopermu o
wymiarach φ170/φ100/70mm, których przekrój rdzeni wynosi ok. 50 cm2. Na każdym
rdzeniu nawinięto drutem nawojowym o średnicy φ0.5 mm dziesięć uzwojeń po 100
zwojów. Każde z dziesięciu uzwojeń zostało równomiernie rozmieszczone na obwodzie toroidu. Tak wykonane uzwojenie otoczono ekranem elektrostatycznym z blachy
miedzianej. Następnie po złożeniu toroidów połączono odpowiednio szeregowo uzwojenia. Uzwojenie pierwsze z toroidu pierwszego połączono z uzwojeniem dziesiątym
toroidu drugiego, następnie uzwojenie drugie toroidu pierwszego połączono z uzwojeniem dziewiątym toroidu drugiego itd., otrzymując uzwojenie główne o dziesięciu
sekcjach. Ponadto w uzwojeniach pierwszym toroidu pierwszego i uzwojeniu dziesiątym toroidu drugiego wydzielono zwoje o liczbie zwojów jeden i dziesięć i połączono
je szeregowo analogicznie jak zwoje uzwojenia głównego. Podany sposób nawijania i
połączeń uzwojeń dał konstrukcję dzielnika o podziale 1000/900/.../100/10/1.
Następnie na uzwojeniu głównym umieszczono uzwojenie odniesienia i uzwojenie
pomocnicze:
10 x 10 zwojów – uzwojenie odniesienia (z 0 ) ,
( )
10 x 10 zwojów – uzwojenie pomocnicze z Ip ,
( )
10 x 1 zwój - uzwojenie pomocnicze z IIp
oraz uzwojenie kompensatora kompensującego różnicę napięć o liczbie zwojów 10,1,
0, 1,10 z odczepem pośrodku. Każde z tych uzwojeń otoczono ekranem elektrostatycznym.
4. WYZNACZANIE BŁĘDÓW INDUKCYJNEGO DZIELNIKA NAPIĘCIA
Błąd IDN jest określony zależnością
δU =
p n U wy − U we
U we
= δ U + jγ
(1)
przy czym: pn - znamionowa przekładnia IDN, U we - napięcie wejściowe, U wy napięcie wyjściowe, δU - błąd napięciowy dzielnika, γ - błąd kątowy dzielnika.
Znamionowa przekładnia dzielnika
pn =
U we ,n
U wy ,n
(2)
gdzie: Uwe,n - znamionowe napięcie wejściowe dzielnika,Uwy,n - znamionowe napięcie
wyjściowe dzielnika.
Błędy IDN wyznaczono zgodnie z procedurą samowzorcowania przy wykorzystaniu metody kompensacyjno-różnicowej, porównując napięcia występujące w uzwojeniach o tej samej liczbie zwojów [ 2,3,4,5,6 ]. Bezpośrednio wyznaczono błędy IDN o
przekładni pn=100/100, 10/10, 1/1 natomiast pośrednio błędy przekładni
p=1000/100, 1000/10, 1000/1.
Rys.1. Diagram wyznaczania błędów wysoknapięciowego dzielnika indukcyjnego o przekładni 1000:1
Fig.1 Error estimation for the high-voltage inductive divider with ratio of 1000:1
Na Rys. 1 przedstawiono diagram wyznaczania błędów poszczególnych uzwojeń
dzielnika. Uzwojeniem odniesienia jest uzwojenie z0 o liczbie zwojów 100 (10 x 10
zwojów). W pierwszym kroku porównania napięcie na tym uzwojeniu, zgodnie z
Rys. 2, jest porównane z napięciami występującymi na poszczególnych sekcjach
uzwojenia głównego, które mają również 100 zwojów [6].
I
Rys. 2. Układ do wyznaczania błędów podziału napięcia uzwojenia głównego z x :I÷X – uzwojenie
główne 10x100 zwojów
(z ) , 1÷10 – uzwojenie odniesienia 10x10 zwojów (z ) ,
I
x
uzwojenie kompensacyjne
(zk ) .
Fig.2. Circuit for error estimation of voltage division of the main winding
0
z xI :I ÷X – main winding:
I
10x100 turns ( z x ), 1÷10 – reference winding: 10x10 turns ( z0 ), compensating winding ( z k )
Wykonane pomiary umożliwiają wyznaczenie błędów przekładni dzielnika głównego dla liczby zwojów 100 i krotności liczby 100 zwojów [6]. W drugim kroku porównano napięcie występujące na uzwojeniu odniesienia z0 (10 x 10 zw.) z napięciem
występującym na uzwojeniu pomocniczym z Ip (10 x 10 zw.). W kroku trzecim porównywano napięcie występujące na poszczególnych sekcjach uzwojenia z Ip (10 zw.) z
napięciem występującym na uzwojeniu głównym z XII o liczbie 10 zwojów. Czwarty
krok jest analogiczny do kroku drugiego, a ostatni piąty krok do kroku trzeciego i
umożliwia porównanie napięć występujących na poszczególnych sekcjach uzwojenia
pomocniczego z IIp z napięciem występującym na uzwojeniu głównym z XIII o liczbie 1
zwój.
Na Rys. 3 pokazano układ umożliwiający porównanie napięć występujących na
poszczególnych sekcjach uzwojenia z Ip z napięciem występującym na uzwojeniu z IIp
[6]. W nieco zmodyfikowanym układzie porównuje się napięcie występujące na koII
lejnych sekcjach uzwojenia z Ip z napięciami występującymi na uzwojeniu z x .
Przy wyznaczaniu błędów przekładni stosowano układy pomiarowe opracowane
przez Tiepnera [6] . Zastosowane w tych układach rozwiązania połączeniowe oraz
środki pomiarowe zapewniają, że prądy pojemnościowe płynące poprzez pojemności
resztkowe dzielników mają takie same wartości jakie występują podczas pracy dzielnika i w związku z tym nie wpływają na podział napięcia.
zx
10 X 100 zwojów
IX
VIII
VII
VI
V
5
4
IV
III
I
II
III
II
I
X
9
8
7
6
3
z PII , 10 x 1 zwój, (N)
1
2
V
IV
10
rR
VII
VI
R
-
VIII
+
C
-
zk
IX
rC
+
zk
X
WZ
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
z Ip 10 X 10 zwojów, (X)
PIDN
Rys.3. Układ do wyznaczania błędów podziału napięcia uzwojenia pomocniczego
z Ip :
(z ) , 1÷10 – uzwojenie pomocnicze 10x10 zwojów (z ),
1÷10 – uzwojenie pomocnicze 10x1 zwój (z ) , I÷X – pomocniczy indukcyjny dzielnik napięcia
I÷X – Uzwojenie główne 10x100 zwojów
I
X
I
p
II
p
(PIDN), - uzwojenie kompensacyjne
(zk )
Fig.3 Circuit for error estimation of voltage division of the auxiliary winding
ing: 10x100 turns
turns
(z ): I ÷X – main windI
p
(z ), 1÷10 – auxiliary winding: 10x10 turns (z ) , 1÷10 – auxiliary winding: 10x1
I
p
I
x
(z ), I ÷X – auxiliary inductive voltage divider (PIDN) – compensating winding ( z
II
p
k
)
Cechą charakterystyczną układów do wyznaczania błędów dzielników jest to że:
zaciski wskaźnika zera w momencie równowagi układu pomiarowego mają
potencjał równy potencjałowi masy układu (rys. 2 i 3),
odczep uzwojenia porównawczego, do którego dołączony jest wskaźnik zera
ma względem masy potencjał równy zeru (rys. 3),
potencjał odczepu porównawczego i ekranu uzwojenia pomocniczego jest zadawany za pomocą pomocniczego dzielnika napięcia (rys. 3).
5. WYZNACZANIE BŁĘDÓW PRZEKŁADNI INDUKCYJNEGO DZIELNIKA
NAPIĘCIA
Wyznaczenie błędów przekładni IDN wymaga opracowania procedury obliczania
błędów. Za Tiepnerem [ 6 ] przyjęto podejście uproszczone i przybliżone, założono, że
błędy uzwojenia głównego IDN są równe sumie błędów wyznaczonych dla :
I
uzwojenia z x o krotności liczby zwojów 100 ( w pierwszym kroku pomiarowym),
II
uzwojenia z x o liczbie zwojów 10 ( w drugim kroku pomiarowym),
uzwojenia z XIII o liczbie zwojów 1 (w czwartym kroku pomiarowym).
Poprawne wyznaczenie błędów przekładni wymaga uwzględnienia wyników pomiarów występujących również w trzecim i czwartym kroku pomiarowym.
Wykonane pomiary i standardowe procedury wyznaczania błędów przekładni IDN
[2] wykazały, że błędy przekładni uzwojenia głównego dla U= 1000V i f = 50Hz
przyjmują następujące wartości dla przekładni:
pn=1000/100, δU = + 36·10-6, γ= - 48·10-6 rad,
pn=1000/10, δU = + 89·10-6, γ= - 68·10-6 rad,
pn=1000/1, δU = +190·10-6, γ= - 156·10-6 rad.
Otrzymane wyniki wskazują, że opracowany i wykonany IDN zgodnie z obowiązującymi normami można zaliczyć do klas:
o przekładni pn=1000/100 do kl. 0,005,
o przekładni pn=1000/10 do kl. 0,01,
o przekładni pn=1000/1 do kl. 0,02.
6. WNIOSKI
Wyniki pomiarów dowodzą, że opracowany i zbudowany indukcyjny dzielnik napięcia DN o przekładni pn=1000/1 ma klasę 0,02, zatem posiada lepsze właściwości
metrologiczne niż wzorcowe przekładniki napięciowe. Należy jednak zauważyć, że
IDN o przekładni pn=1000/1 opracowany przez Tiepnera ma znacznie lepsze parame-
try metrologiczne i spełnia wymagania stawiane przekładnikom klasy 0,0005. Tak
małe wartości błędów otrzymano ponieważ zastosowano magnetowód z materiałów o
bardzo dużej przenikalności magnetycznej oraz wykorzystano technikę nawijania
minimalizującą rozrzut parametrów resztkowych dzielnika, to jest rezystancji i reaktancji rozproszenia poszczególnych sekcji uzwojenia.
LITERATURA
[1] Bardell P. R., Magnetic Materials in the Electrical Industry, Macdonal& Co. ( Pubishers)
Ltd, London 1955.
[2] Dudziewicz J. (koordynator), Etalony i precyzyjne pomiary wielkości elektrycznych, WKiŁ,
Warszawa 1975
[3] Hill J. J., Der Entwurf und die Anwendungsmöglichkeiten von induktiven Spannungsteilern
mit einstellbarem Übersetzungsverhältins, Meβtechnik, 1968, H.10, s. 265 – 270.
[4] Emschermann H. H., Furmann B., Low – Freguency One – Step Inductive Voltage Divider
with ratio up to 1:1000, IEEE Trans. on Meas., vol. IM – 24, nr 4, Dec. 1975 p. 349-352.
[5] Schlinke H., Entwicklung induktiver Präszisionswechselspannungsteiler für 16 bis 500 Hz
sowie Fehlerbestimmung, Meβtechnik, 1970, H. 3. S. 52- - 60.
[6] Tiepner W., Induktiver Spannungsteiler 1000:1 für 7,5 kV, Elektrie, v. 29, 1975, H. 4, s.
209 –212.
HIGH-VOLTAGE INDUCTIVE VOLTAGE DIVIDER WITH RATIO OF 1000:1
The construction of high-voltage inductive divider for voltage of 1000V with ratio of 1000:1 has been
eleborated and presented in this paper. The circuits for error estimation of the divider have also been
given. The proposed divider meets requirements for voltage measuring transformer of class 0.05.