Czytaj

dr inż. STANISŁAW SZKÓŁKA
prof. dr hab. inż. ANDRZEJ SZYMAŃSKI
dr inż. GRZEGORZ WIŚNIEWSKI
Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej
Miniaturowy przekładnik napięciowy
do współpracy z nowoczesnymi układami
monitorująco-zabezpieczającymi
W artykule przedstawiono jedną z trzech opracowanych w Instytucie Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej koncepcji przekładnika napięciowego ułamkowej mocy
dedykowanego współczesnym układom pomiarowym i monitorującym, bazującym na
technice mikroprocesorowej. Zamieszczono wstępne wyniki badań odnośnie do
wierności transformacji.
1. WSTĘP
Wraz z rozwojem techniki cyfrowego przetwarzania danych zdecydowanej zmianie uległy oczekiwania i wymagania stawiane czujnikom i przetwornikom pomiarowym. Dotyczy to w szczególności przekładników prądowych i napięciowych, których
znaczne gabaryty, ciężar i odpowiednio duża wartość
mocy znamionowej wynikały z uwarunkowań historycznych. Odkształcone przebiegi napięć i prądów
nie są wiernie transformowane przez przekładniki
klasyczne. Wzrastający ciągle stopień nasycenia
aparatów, urządzeń elektrycznych, zabezpieczeń
elektroenergetycznych techniką mikroprocesorową
sprawia, iż drastycznie obniżył się poziom mocy
sygnałów dostarczanych z obwodów prądowych
i napięciowych. Celowym więc stało się poszukiwanie nowych, małogabarytowych rozwiązań układów
pośredniczących w przekazywaniu informacji o przebiegach prądów i napięć z obwodów silnoprądowych
i wysokonapięciowych do współczesnych obwodów
pomiarowych.
Znane i stosowane są już nowoczesne układy monitorowania przebiegów prądowych za pomocą cewek
Rogowskiego [1, 2, 3]. Prowadzone w Instytucie
Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej badania
nad różnymi koncepcjami przekładników napięciowych ułamkowych mocy zakończyły się trzema zgło-
szeniami patentowymi. Od rozwiązań niekonwencjonalnych – podobnie jak konwencjonalnych – oprócz
separacji obwodów, wymaga się spełnienia całego
szeregu wymogów, a głównie wierności transformacji przebiegów niezależnie od warunków panujących
w obwodach czy też od warunków otoczenia [4, 5].
2. KONCEPCJA PRZEKŁADNIKA
Na rys. 1a przedstawiono jedną z opracowanych
i przebadanych koncepcji przekładnika napięciowego. Nadaje się ona szczególnie do pracy przy zasilaniu strony pierwotnej napięciem międzyfazowym. Do
zacisków M, N obwodu pierwotnego przyłączona jest
gałąź zawierająca połączone szeregowo dwa rezystory R1 oraz cewkę 1 o liczbie zwojów z1. Korzystnym
w tym rozwiązaniu jest to, aby rezystory R1 były
przyłączone do zacisków M, N. Zaciski m, n strony
wtórnej przekładnika przyłączone są do cewki 2
o liczbie zwojów z2. Do zacisków m, n przyłączony
jest rezystor R2. Cewki 1 i 2 sprzężone są ze sobą
magnetycznie magnetowodem 3 (korzystnie ferrytowym), stanowiącym jednocześnie układ izolacyjny
pomiędzy stroną pierwotną i wtórną przekładnika.
Pod wpływem przyłączonego do zacisków pierwotnych M i N napięcia U1 płynie prąd I1, który przetransformowany z cewki 1 do cewki 2 przybiera war-
Nr 7(461) LIPIEC 2009
15
a)
b)
Rys. 1. Schemat ideowy przekładnika napięciowego przeznaczonego do zasilania:
a) napięciem międzyfazowym, b) napięciem fazowym
tość I2 = I1 . z1/z2. Prąd I2 wywołuje spadek napięcia
U2 na rezystancji R2. Na rys. 2a przedstawiono wykres wskazowy idealnego przekładnika napięciowego napięcia międzyfazowego. Napięcie U1 przekładnika stanowi napięcie U AC układu trójfazowego.
Z uwagi na symetryczne usytuowanie cewki 1 jej
zaciski znajdują się na możliwie najniższym potencjale U w stosunku do potencjału przewodu neutralnego 0. Potencjał ten jest równy połowie wartości
napięcia fazowego układu, co ze względów bezpieczeństwa stanowi istotną zaletę rozwiązania. Napięcie wtórne U2 indukowane w cewce 2 jest równe
iloczynowi prądu I2 i rezystancji R2. Napięcie U2
przeliczone na stronę pierwotną przekładnika przybiera wartość U*R2. W ten sposób napięcie pierwotne UAB zostaje podzielone na trzy spadki napięcia –
dwa spadki napięcia U R1 na rezystorach R1 oraz
spadek napięcia U*R2.
Pomijając znikomą wartość reaktancji zastępczej
układu cewek 1 i 2 w porównaniu z bardzo dużą
wartością rezystancji R1, można napisać:
I1  z 1  I 2  z 2
(1)
stąd
I 2  I1 
z1
z2
(2)
Napięcie U2 strony wtórnej przekładnika wynosi:
U 2  I 2  R 2  I1  R 2 
z1
 I1  R '2
z2
gdzie: R’2 – rezystancja R2 przeliczona na stronę
pierwotną.
Prąd I1 strony pierwotnej przekładnika wynosi:
(3)
I1 
U1
U1

2R1  R '2 2R  R z1
1
2
z2
(4)
Stąd napięcie pierwotne U1 można zapisać jako:

z 
U1  I1 2R 1  R 2 1 
z2 

(5)
Oznaczając przez  przekładnię przekładnika otrzymuje się:

U1

U2
2R 1  R 2
z
R2  1
z2
z1
z2

2R 1 z 2
 1
R 2 z1
(6)
Przy równej liczbie zwojów z1=z2 przekładnia 
wynosi:

U1 2R 1

1
U2
R2
(7)
W celu zapewnienia stałej wartości przekładni ,
niezależnie od wpływu temperatury otoczenia na
zmianę rezystancji, korzystnym jest zapewnienie
jednakowej temperatury rezystorom R1 i R2.
Przekładnik napięciowy o konstrukcji jak na rys. 1b
nadaje się szczególnie do pracy przy zasilaniu strony
pierwotnej napięciem fazowym. Wynika to ze względów bezpieczeństwa, ponieważ uzwojenie wtórne
tego rozwiązania znajduje się na potencjale ziemi. Do
zacisków M, N obwodu pierwotnego przyłączona jest
gałąź zawierająca połączone ze sobą szeregowo jeden
rezystor 2R1 oraz cewkę 1 o liczbie zwojów z1. Korzystnym jest aby rezystor 2R1 był przyłączony do
zacisku M będącego na potencjale napięcia fazowego, zaś zacisk N do przewodu neutralnego 0. Zaciski
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
16
a)
b)
Rys. 2. Uproszczony wykres wskazowy idealnego przekładnika napięciowego zasilanego napięciem:
a) międzyfazowym, b) napięciem fazowym
Rys. 3. Układ pomiarowy
m i n strony wtórnej przekładnika przyłączone są do
cewki 2 o liczbie zwojów z2. Do zacisków m, n przyłączony jest rezystor R2. Zasada działania i zależności wiążące ze sobą podstawowe wielkości tego rozwiązania są takie same jak rozwiązania przedstawionego na rys. 1a.
Na rys. 2b przedstawiono uproszczony wykres
wskazowy idealnego przekładnika napięciowego
z rys. 1b. Napięcie U1 przekładnika stanowi napięcie
fazowe UA układu trójfazowego. Napięcie wtórne U2
indukowane w cewce 2 jest równe iloczynowi prądu
I2 i rezystancji R2. Napięcie U2 przeliczone na stronę
pierwotną przekładnika przybiera wartość U*R2.
W ten sposób napięcie pierwotne UA zostaje podzielone na dwa spadki napięcia – spadek napięcia U2R1
na rezystorze 2R1 oraz spadek napięcia U*R2.
Zmiana wartości napięcia pierwotnego tych konstrukcji wymaga jedynie zmiany wartości rezystancji
2R1 przy niezmienionej pozostałej części układu.
Przy pominięciu znikomej wartości mocy pobieranej
przez nowoczesne układy zabezpieczeń, przekładnik
pobiera moc rzędu 1W/1kV napięcia strony pierwotnej. Możliwe jest dalsze zmniejszanie tej wartości
przy zastosowaniu odpowiedniego układu ekranującego konstrukcję przekładnika.
3. BADANIA MODELOWE
Badaniom poddano model przekładnika napięciowego przedstawionego na rys. 1b. Ich celem było
zbadanie wierności transformacji przebiegu napięcia
(amplituda, kąt przesunięcia, wyższe harmoniczne).
Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 3. Do badania modelowego przekładnika Pu wykorzystano kla-
Nr 7(461) LIPIEC 2009
17
a)
b)
c)
Rys. 4. Przebiegi napięć strony pierwotnej u1(t) [CH1] i wtórnej u2(t) [CH2] w funkcji czasu;
a) U1= 3 kV, I1= 1 mA, R2=300 ; b) U1= 6 kV, I1= 2 mA, R2=300 ; c) U1= 6 kV, I1= 2 mA, R2=150 
a)
b)
Harmonics
Harmoniczne napiecia
U1 - CH1; U2 - CH2
3
150
2,5
100
50
2
CH1
1,5
CH2
Phase
%Fund
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
-50
23
25
CH1
CH2
1
-100
0,5
-150
0
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Number
-200
Number
Rys 5 Porównanie harmonicznych napięć strony pierwotnej u1(t) i wtórnej u2(t)
w warunkach U1= 6 kV, I1= 2 mA, R2=150 .;
a) procentowej zawartości poszczególnych harmonicznych; b) faz harmonicznych.
syczny przekładnik napięciowy 20 kV/100 V (Pu1)
zasilany od strony wtórnej za pomocą autotransformatora (AT).
Do monitorowania wysokiego napięcia (U1) zastosowano rezystancyjny dzielnik napięcia DN o współczynniku podziału 3000/1, a przebieg napięcia strony
wtórnej (U2) doprowadzano bezpośrednio do układu
monitorującego w postaci oscyloskopu posiadającego
jednocześnie możliwość dokonania analizy wyższych
harmonicznych w zapamiętanych przebiegach (oscyloskop cyfrowy Tektronix serii TDS 2024).
Przeprowadzony cykl pomiarów miał zbadać:
 wierność transformacji przebiegu napięciowego
strony pierwotnej,
 wpływ obciążenia na pracę przekładnika,
 wpływ temperatury na przekładnię.
Badania przeprowadzono dla dwóch wartości napięć U1 strony pierwotnej – 3 i 6 kV, przy czym praca przy napięciu 6 kV pozwoliła na zbadanie wpływu
temperatury rezystorów 2R1 (dwukrotne przeciążenie) na stałość przekładni (rezystor R2 pozostawał
w temperaturze otoczenia 20°C). Przekładnik obciążano rezystorem R2 o wartościach 150, 300 i 1000 .
Na rys. 4 przedstawiono przebiegi napięć strony
pierwotnej U1 i wtórnej U2 przy zasilaniu napięciem 3
kV (prąd I1= 1 mA) i obciążeniu przekładnika rezystorem R2=300 .
Jak widać na rysunkach 4a i 4b, zwiększenie prądu
uzwojenia pierwotnego z 1 mA do 2 mA przy takiej
samej wartości rezystancji R2=300  znacznie zmniejsza przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegami strony
pierwotnej i wtórnej. W modelowym układzie odpowiada to wzrostowi mocy pobieranej przez przekładnik z 1 W/kV do 2 W/kV. Zmniejszenie natomiast
rezystancji obciążenia R2 z 300 do 150  (rys. 4c)
praktycznie eliminuje przesunięcie fazowe pomiędzy
przebiegiem napięcia u1(t) i u2(t). Wartość tego przesunięcia zwiększa się w miarę wzrostu wartości R2
i zmniejszania prądu uzwojenia pierwotnego I1.
Wartość mocy pobieranej przez przekładnik w tych
warunkach wynosiła ok.12 W.
Zbyt duża wartość rezystancji obciążenia R2 (rzędu
1 k) powoduje przesunięcie fazowe ok. 13 stopni
niezależnie od wartości prądu I1 strony pierwotnej.
W celu określenia wierności transformacji modelu
zmierzono zawartość wyższych harmonicznych
w napięciu u1(t) strony pierwotnej i wtórnej u2(t).
Na rys. 5a przedstawiono procentową zawartość
wyższych harmonicznych w obu przebiegach, przy
założeniu że wartości pierwszych harmonicznych
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Voltage [V]
18
a)
b)
c)
Oscylogram
Harmonics
Harmonics
4
200
3
CH1
CH1
3
150
CH2
CH2
2.5
100
2
2
0
-5
0
5
10
15
20
50
Phase
%Fund
1
1.5
1
-1
-2
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
-100
-150
0.5
CH1
-3
0
-50
25
-200
0
CH2
Number
3
-4
5
7
9
11
13
Time [ms]
15
17
19
21
23
25
Number
Rys. 6. Porównanie napięć strony pierwotnej u1(t) CH1 i wtórnej u2(t) CH2
przy zasilaniu napięciem fazowym w warunkach U1= 230 V, I1= 2 mA, R2=150 .;
a) przebiegów napięć, b) procentowej zawartości poszczególnych harmonicznych;
c) faz harmonicznych. harmonicznych
a)
b)
c)
Voltage [V]
Oscylogram
3
2
1
Harmonics
0
0
5
10
15
20
200
CH2
4
25
150
3.5
-1
100
%Fund
3
-2
50
2.5
Phase
-5
Harmonics
4.5
2
1.5
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
-50
1
-3
CH2
-100
0.5
-150
0
-4
3
5
7
9
11
13
15
Number
Time [ms]
17
19
21
23
25
CH2
-200
Number
Rys. 7. Przebiegi uzyskane w warunkach U1=400 V, I1= 2 mA, R2=150 
przy zasilaniu napięciem przewodowym,
a) napięcia strony wtórnej u2(t), b) harmonicznych napięcia u2(t), c) faz harmonicznych napięcia u2(t)
napięć strony pierwotnej i wtórnej są sobie równe
i wynoszą 100%, natomiast na rys.5b fazy transformowanych harmonicznych strony pierwotnej i wtórnej.
Jak wynika z rysunków 4c i 5, przy spełnieniu
pewnych warunków, przekładnik wiernie przenosi
przebiegi i ich harmoniczne ze strony pierwotnej na
wtórną. Jeśli chodzi o dokładność transformacji amplitud wyższych harmonicznych – to niezależnie od
wartości prądu I1 (1 lub 2 mA) i niezależnie od rezystancji obciążenia (150 – 1000 ) błąd nie przekraczał wartości 20% w odniesieniu do pojedynczych
harmonicznych.
W celu zbadania wpływu temperatury na stałość
przekładni (zał. 7) podgrzano rezystor R1 do temperatury 70°C, podczas gdy R2 pozostawał w temperaturze otoczenia. Pomimo faktu, iż użyto zwykłych
rezystorów typu MŁT, zmiana przekładni nie przekraczała 0,5%. Zastosowanie rezystorów o korzystnym współczynniku temperaturowym pozwoli na
dalsze zwiększenie stałości przekładni.
Wyniki przeprowadzonych badań uzupełniono pomiarami napięć w rzeczywistym układzie zasilania
prostownika sterowanego 6-pulsowego. Prototypowy
przekładnik dostosowano do wartości znamionowej
napięcia zasilającego tak, aby wartość prądu pierwotnego wynosiła 2 mA przy rezystancji R2 = 150 .
Badania przeprowadzono przy zasilaniu napięciem
fazowym i międzyfazowym. Na rys. 6 zamieszczono
wyniki badań przy zasilaniu przekładnika napięciem
fazowym. Na rys. 6a przedstawiono przebiegi napięcia u1(t) strony pierwotnej i u2(t) strony wtórnej, na
rys. 6b odpowiednio zawartość wyższych harmonicznych w obu przebiegach, a na rys. 6c porównanie
faz poszczególnych harmonicznych.
Jak wynika z przedstawionych na rys. 6 danych
przekładnik dobrze przenosi przebiegi znacznie odkształcone. Największe błędy dotyczą faz harmonicznych podzielnych przez 3, a w szczególności 9.
i 15. Jednak zawartość tych harmonicznych jest
znacznie mniejsza niż dominujących harmonicznych
5, 7, 11, 13 itd.
Wyniki badań przebiegu napięcia u2(t) przy zasilaniu
napięciem przewodowym przedstawiono na rys. 7.
W przypadku zasilania napięciem fazowym pobór
mocy wynosił ok. 0,5 W, natomiast przy napięciu
przewodowym – ok. 0,8 W.
Nr 7(461) LIPIEC 2009
WNIOSKI KOŃCOWE


Prosta budowa zaprezentowanego w artykule
przekładnika napięciowego umożliwia konstruowanie całego typoszeregu przekładników na różne wartości napięć pierwotnych z wykorzystaniem
typowego modułu. Izolowany galwanicznie od
monitorowanego napięcia sygnał może stanowić
wielkość kryterialną działania wielu współczesnych układów elektroenergetycznej automatyki
zabezpieczeniowej.
Przy spełnieniu podanych w artykule warunków,
przekładnik charakteryzuje się bardzo dużą wiernością transformacji zarówno pod względem podstawowej jak i wyższych harmonicznych. Cecha ta
okupiona jest jednak wartością mocy pobieranej
przez obwód pierwotny, która w zależności od
rozwiązania waha się w granicach od 1–2 W/1 kV
napięcia strony pierwotnej.
19

Zaprezentowanie rozwiązanie może stanowić cenne
uzupełnienie w dziedzinie niekonwencjonalnych
przekładników napięciowych.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Szkółka S.,Szymański A.,Wiśniewski G.: Układ pomiarowy wyższych harmonicznych prądu z wykorzystaniem cewki Rogowskiego. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2006, nr 8,
s. 82-90.
Miedziński B., Szkółka S., Wiśniewski G., Lisowiec A.: Cewki
Rogowskiego jako elementy nowoczesnych układów automatyki
i pomiarów. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2007, nr 2,
s. 23-30.
Szkółka S., Wiśniewski G., Fjałkowski Z., Lisowiec A.: Filtr składowej zerowej prądu z cewką Rogowskiego w środowisku prądów odkształconych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa.
2008, nr 7-8, s. 25-33.
Nowicz R.: Przekładniki napięciowe. Klasyczne, specjalne
i niekonwencjonalne. Monografie Politechniki Łódzkiej, Łódź
2002.
Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa
w systemach elektroenergetycznych. Wyd. PWN Warszawa 2009.
Szkółka S., Wiśniewski G.: Przekładnik napięciowy, zgłoszenie
patentowe P386905 z dnia 22.12. 2008.
Recenzent: dr inż. Marcin Habrych
MINIATURE VOLTAGE TRANSFORMER FOR OPERATION WITHIN INNOVATIVE MONITORINGPROTECTING SYSTEMS
One of three ideas of a voltage transformer of a very low power developed by the Institute of Electrical Power Engineering of Wrocław University of Technology has been presented in the paper. The voltage transformer will be designed for innovative present-day measuring and monitoring systems based on microprocessor technology. The first
research and test results regarding transformation fidelity have been shown.
МИНИАТЮРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
С СОВРЕМЕННЫМИ МОНИТОРИНГО-ПРЕДОХРАНЯЮЩИМИ СИСТЕМАМИ
В статье представлена одна из трех разработанных в Институте Энергоэлектрики Вроцлавского
Политехнического института концепций измерительного трансформатора напряжения дробной силы,
посвященного современным измерительным и мониторинговым системам, базирующим на микропроцессорной
технике. Умещены вступительные результаты исследований достоверности трансформации.