urządzenie pomiarowe do wyznaczania błędów przekładników

Nr 59
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 59
Studia i Materiały
Nr 26
2006
Błędy prądowe i kątowe przekładników
Karol NOWAK * , Zdzisław NAWROCKI*
F
F
URZĄDZENIE POMIAROWE DO WYZNACZANIA BŁĘDÓW
PRZEKŁADNIKÓW PRĄDOWYCH
Przedstawione w pracy urządzenie pomiarowe jest aktywnym dzielnikiem prądu. Charakteryzuje
się dużą uniwersalnością, może być stosowanie w układach realizujących pomiary dwoma metodami:
kompensacyjno-różnicową i komparacyjną. Dokładność urządzenia pozwala sprawdzać przekładniki
o szerokim zakresie przekładni i klasach dokładności od 0,1 do 5. Wymienione właściwości urządzenia uzyskano dzięki zastosowaniu w nim wzmacniaczy elektronicznych, które pozwoliły m.in. ograniczyć wpływ błędu metody na dokładność pomiarów. Nie było to możliwe w układach z dzielnikami o elementach pasywnych.
1. WPROWADZENIE
Układy do pomiaru błędów przekładników prądowych są wyspecjalizowanymi kompensatorami bądź komparatorami prądów przemiennych 50 Hz (rys. 1). Pomiary polegają na pośrednim porównaniu prądów strony pierwotnej i wtórnej badanego przekładnika
i określeniu ich różnicy, która jest proporcjonalna do błędów przekładnika. Do odtworzenia wzorcowej przekładni badanych przekładników stosowane są przekładniki wzorcowe bądź komparatory magnetyczne prądów przemiennych. Komparatory magnetyczne, zwykle mające błędy mniejsze od 0,01%, wykorzystywane są do sprawdzania
przekładników dokładnych, o klasach dokładności poniżej 0,5. Zaś przekładniki wzorcowe są najczęściej używane do sprawdzania przekładników sieciowych [2,3].
Integralnym elementem każdego układu do sprawdzania przekładników jest urządzenie pomiarowe – mające strukturę układową dzielnika prądu. Zadaniem jego jest
taki podział prądu wtórnego przekładnika wzorcowego (rys.1a) lub badanego (rys.1b),
aby na jego wyjściu wytworzone zostały dwa prądy Iδ i Iγ , względem siebie ortogonalne i służące do przeprowadzenia czynności równoważenia układu oraz uzyskania
wyniku pomiaru. Dla skompensowanego układu, pierwszy prąd jest proporcjonalny do
błędu prądowego badanego przekładnika, drugi – do błędu kątowego. Wartości obu
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected], zdzisł[email protected]
HU
U
błędów wynikają ze stosunków Iδ /I2W i Iγ /I2W , które są odczytywane z nastaw elementów urządzenia pomiarowego.
b)
a)
PRZEKŁADNIK
BADANY
I2X
ϑx
I1
PRZEKŁADNIK
BADANY
I δ + jI γ
wz
PRZEKŁADNIK
WZORCOWY
ϑw
+
I2W
ϑx
I1
+;-
I2
URZĄDZENIE
POMIAROWE
δ I + jγ
wz
KOMPARATOR
MAGNETYCZNY
I δ + jI γ
URZĄDZENIE
POMIAROWE
δ I + jγ
Rys. 1. Zastosowanie metody kompensacyjno-różnicowej (a) i komparacyjnej (b)
w układach do badania przekładników prądowych
Fig. 1. Using of compensatory-differential method (a) and comparison method (b)
in circuit arrangements for testing of current instrument transformators
W stosowanych dotychczas układach pomiarowych dzielniki prądu są wykonane z
elementów pasywnych: rezystorów, kondensatorów i cewek indukcyjnych [1]. Realizacja tych dzielników wymaga dużej staranności w doborze i ekranowaniu elementów
oraz wykonania żmudnego procesu wzorcowania. Czynności te jednak nie gwarantują
pełnego sukcesu w układach do sprawdzania przekładników dokładnych.
Znaczne uproszczenie konstrukcji dzielnika oraz poprawę jego funkcjonalności i
dokładności, można uzyskać przez zastosowanie w nim wzmacniaczy mocy. Wynikiem tego, urządzenie pomiarowe zmniejsza pobór mocy z układu pomiarowego - a w
konsekwencji występuje ograniczenie wpływu błędu metody na dokładność pomiarów.
2. OPIS URZĄDZENIA I UKŁADÓW POMIAROWYCH
Urządzenie pomiarowe zastosowane w układzie z komparatorem magnetycznym
prądów sieciowych przedstawiono na rys. 2. Uzwojenia pomiarowe z1 i z2 komparatora porównują prądy I1 i I2 badanego przekładnika X. Do równoważenia komparatora
wykorzystuje się jego uzwojenie kompensacyjne zk, przez które wymusza się przepływ prądów Iδ i Iγ - nastawianych urządzeniem pomiarowym.
X
P1
S1
I1
I2
P2
z1
z2
S2
zk=10z2
Iδ + jI γ
R1 R2 R3
0,1% 1% 5%
zakresy δ I
KM
C1 C2 C3
10'
zD
WZ
100' 500'
zakresy γ
Zo
k=10
1 n1
+
δI
−
k=10
0
0
n2
1
γ
+
−
AT
r =0,1 Ω
Rys. 2. Urządzenie pomiarowe w układzie z komparatorem magnetycznym
Fig. 2. Measurement device in the system with AC current comparator
Sygnałem wejściowym urządzenia pomiarowego jest spadek napięcia na oporniku
0,1 Ω, wywołany prądem I2 przekładnika. W celu uzyskania możliwości odczytów
błędów o wartościach dodatnich i ujemnych, napięcie to jest dwukrotnie zwiększone
przez autotransformator AT, a wyboru znaków błędów dokonuje sie dwoma przełącznikami.
Do przeprowadzenia czynności równoważenia układu i wykonania odczytów błędów zastosowano dwa potencjometry wieloobrotowe, zaopatrzone w mechaniczne
liczniki obrotów z odczytem trzech cyfr znaczących. Ich napięcia wyjściowe są na-
stępnie wzmacniane przez dwa wzmacniacze mocy o wzmocnieniach napięciowych
równych 10. Do wyjść wzmacniaczy włączane są rezystory R1...R3 i kondensatory
C1...C3 - wybierane przełącznikami zakresów. Wymuszone tymi elementami prądy Iδ i
Iγ , są względem siebie przesunięte fazowo o 900, a ich suma stanowi prąd równoważący komparator. Odczytów błędów badanego przekładnika dokonuje się bezpośrednio ze wskazań liczników obrotów obu potencjometrów.
Zastosowanie urządzenia pomiarowego w układzie realizującym metodę kompensacyjno-różnicową przedstawiono na rys. 3.
W
P1
I1
P2
P1
S2
R1 R2 R3
0,1% 1%
zakresy δ I
5%
+
δI
−
S1
S2
C1 C2 C3
10'
k=10
1 n1
jI γ
Iδ
P2
I2X
I2W
S1
X
100' 500'
zakresy γ
R
k=10
0
0
n2
WZ
Zo
1
γ
+ −
AT
r =0,1 Ω
Rys.3. Urządzenie pomiarowe w układzie z przekładnikiem wzorcowym.
Fig. 3. Measurement device in the system with standard transformer
Prądy wtórne przekładnika badanego X i przekładnika wzorcowego W - z nominalnie równymi przekładniami - mają w gałęzi z rezystorem R przeciwne fazy. Wynikiem
tego, występujące na nim napięcie jest proporcjonalne do błędów przekładnika badanego. Stan kompensacji prądów, określony zerowym wskazaniem wskaźnika zera,
przeprowadza się nastawami prądów Iδ i Iγ urządzenia pomiarowego. Stosowany
wskaźnik zera powinien mieć wejście napięciowe o dużej rezystancji. Rezystancja
opornika R nie wpływa na wynik pomiaru, natomiast decyduje o czułości napięciowej
układu. Wartość R powinna być stosunkowo mała i odpowiednio dobrana do czułości
napięciowej wskaźnika. W przypadku stosowania wskaźnika z wejściem prądowym
rezystor R jest zbędny. Odczytów błędów δI i γ przekładnika badanego dokonuje się
bezpośrednio z nastaw n1 i n2 liczników obrotów potencjometrów urządzenia pomiarowego.
3. PODSUMOWANIE
Przedstawione w pracy urządzenie pomiarowe spełnia wymagania stawiane układom do wyznaczania błędów tak przekładników laboratoryjnych, tj. klas dokładności
0,1-0,5, jak też przekładników sieciowych o klasach 1÷5 [4]. Niedokładność urządzenia, przedstawiona błędem granicznym obliczonym względem zakresów pomiarowych, wynosi od 1 do 3% - w zależności od zakresu. Należy przy tym zauważyć, że o
dokładności pomiarów decyduje też błąd nieczułości układu pomiarowego, a jego
ograniczenie nie jest zadaniem łatwym, szczególnie w pomiarach małych wartości
błędów. W tych pomiarach należy dysponować wysokoczułym i odpowiednio selektywnym wskaźnikiem zera, a układ pomiarowy powinien mieć sprawne uziemienie.
Urządzenie pomiarowe sprawdzono praktycznie w badaniach błędów przekładników klas dokładności 0,2 i 1 - stosując w nich dwa układy pomiarowe, przedstawione
na rys. 2. i 3. W obu układach zastosowano też - oprócz omawianego urządzenia pomiarowego - pomiarowy dzielnik prądu zestawiony z dekad rezystancyjnych i pojemnościowych. Celem badań była ocena porównawcza wyników pomiarów uzyskanych
poszczególnymi układami pomiarowymi. Wyniki charakteryzowały się zadawalającą
zgodnością i powtarzalnością – potwierdziły więc słuszność przyjętej koncepcji układowej prezentowanego urządzenia.
LITERATURA
[1] Fuliński W., Leszczyński J., Automatyczny kompensator do sprawdzania przekładników prądowych.
Publikacja konferencyjna: Przekładniki – stan aktualny i tendencje rozwojowe, 1990, Łódź.
[2] Koszmider A., Olak J., Piotrowski Z., Przekładniki prądowe, Warszawa, WNT.
[3] IEEE Std. C57.13-1993, IEEE standard requirements for instrument transformers.
[4] PN-EN 60044-1, Przekładniki. Przekładniki prądowe.
MEASUREMENT DEVICE FOR TESTING CURRENT INSTRUMENT TRANSFORMERS
The measurement device can be used for testing of current transformers in different circuit arrangements. Standard current transformers or AC current comparators can be used for reproduction of nominal
ratio of transmission. Accuracy of measurement device is enough to test transformers with wide range of
transmission and accuracy class from 0.1 to 5. The offered properties of the device were achieved using
active current divider instead of divider with passive elements.