СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВАРИАЦИОННЫМ РЕЗИСТИВНЫМ ДЕЛИТИЛЕМ С ЕМКОСТНЫМ ПЛЕЧОМ
METHOD FOR MEASUREMENT OF AC VOLTAGE BY VARIATION RESISTIVE DIVIDER WITH CAPACITANCE ARM

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного напряжения, преимущественно от 10 кВ до 1500 кВ.
Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, уменьшении массогабаритных показателей, увеличении точности измерений и увеличении надежности эксплуатации в части высоковольтной изоляции. Устройство позволяет произвести точное измерение переменного напряжения, используя в делителе напряжения калиброванные сопротивления только в низковольтном плече, при этом высоковольтное плечо может иметь любое сопротивление и выполняется в виде емкости для осуществления функции высоковольтной изоляции.
Предшествующий уровень техники
Переменное высоковольтное напряжение традиционно измеряется индукционными и емкостными трансформаторами напряжения.
Принцип действия индукционных трансформаторов напряжения основан на взаимной индукции двух обмоток с трансформацией величины напряжения на первичной обмотке в напряжение на вторичной в зависимости от их характеристик. Индуктивность электромагнитного трансформатора напряжения со стороны первичной обмотки значительно больше активного сопротивления, имеет нелинейный характер в соответствии с «петлей гистерезиса», т.е. зависит от режима и, взаимодействуя с емкостями элементов открытых распределительных устройств (ОРУ) и линий электропередачи, может вызывать феррорезонанс с последующим неизбежным выходом из строя трансформатора напряжения.
Этого недостатка лишены емкостные трансформаторы тока. Принцип их работы основан на емкостном делителе напряжения. Основным недостатком трансформаторов тока на основе емкостного делителя является необходимость применения прецизионных конденсаторов на полное измеряемое напряжение в высоковольтном и в низковольтном плече. Конденсаторы также должны обладать приемлемой емкостью для выдачи необходимой мощности для управления аварийной и релейной автоматикой. Конденсаторы емкостного делителя напряжения не должны изменять емкость вследствие температурных воздействий, атмосферных воздействий, перепадов напряжения и т.д.
Резистивные делители напряжения в качестве устройств для измерения тока применяются в основном в лабораторных установках и оборудовании, эксплуатирующемся не на открытой местности. Это связано с поверхностными токами утечки, которые вне помещений могут значительно изменяться в соответствии с изменениями загрязнения поверхности трансформатора напряжения, атмосферными осадками и другими неконтролируемыми факторами. Поверхностное сопротивление изоляции может со временем значительно меняться из-за воздействия ультрафиолетового солнечного излучения, увеличения влажности окружающего воздуха и др. Внутреннее сопротивление резисторов также может меняться в зависимости от температуры и механических воздействий. Поэтому обеспечить точное значение сопротивления высоковольтного плеча делителя напряжения для оборудования, эксплуатирующегося вне помещения, практически нереально. Исходя из этого резистивные делители напряжения в основном применяют в лабораторных целях, а также для калибровки промышленных трансформаторов напряжения, как в устройстве по патенту SU 935844, 04.11.80, RU 2303273, 23.01.2006.
В изобретении по патенту CS 275447 А, 25.11.1991 приведено устройство для поверки и калибровки делителя высокого напряжения. В низковольтном плече делителя установлен дополнительный прецизионный резистор, являющийся эталонным. Также имеется ключ, который замыкает цепь в обход калиброванного резистора и позволяет замерять значения токов и напряжений на выходе делителя при разном сопротивлении цепи. Таким образом производится поверка и калибровка делителя напряжения со встроенным эталонным резистором.
В устройстве по SU 355572 от 12.05.1969 г., являющемся прототипом предлагаемого устройства, содержится два калиброванных сопротивления в низковольтной части. Параллельно одному из сопротивлений присоединен ключ. В замкнутом положении ключ выключает из схемы одно из сопротивлений. Измерения производятся при замкнутом и при разомкнутом ключе. Сопротивление низковольтного плеча делителя оказывается в этих случаях разным, по цепи в этих случаях течет разный ток. По измеренному на выходе делителя значению тока (напряжения) определяют измеряемое высокое напряжение.
Погрешность измерения полностью зависит от погрешности резисторов низковольтной части. Сопротивление высоковольтной части, если оно не изменяется, не влияет на результат измерений. Недостатком данного устройства является невозможность применения его для измерения напряжения в промышленности и в открытых распределительных устройствах на электроподстанциях. Так как высоковольтное плечо прототипа выполнено резистивным, для приемлемой работы предлагаемого измерительного устройства требуются достаточно большие токи, проходящие по высоковольтному плечу, что приведет к его нагреву и может привести к пробою. Исходя из этого для целей постоянного измерения значений напряжения в промышленности применяют емкостные трансформаторы тока на основе емкостных делителей напряжения. У них не происходит нагрев, так как они являются реактивной нагрузкой. Но выполнить высокоточные и стабильные конденсаторы гораздо сложнее, чем сопротивления. Таким образом, с одной стороны, устройство для измерения напряжения должно быть выполнено на реактивных элементах (емкостях), с другой стороны, - на активных элементах (сопротивлениях). Это противоречие решено в прилагаемом методе измерения.
Цели изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является простой и надежный способ измерения в реальном времени высоковольтного переменного напряжения с использованием резистивного делителя, не зависящего от сопротивления высоковольтного плеча, поверхностной проводимости, токов утечки, атмосферных воздействий и емкостного высоковольтного плеча.
Описание
Решение поставленной цели достигается тем, что способ измерения высокого напряжения с помощью емкостно-резистивного делителя основан на вариации сопротивления низковольтного плеча на разных полупериодах протекания по цепи переменного тока. При одном направлении ток течет по цепи, имеющей одно сопротивление, при другом направлении ток течет по цепи, имеющей другое сопротивление. Измеренный на выходе делителя ток (напряжение) обрабатывается вычислительной машиной с учетом фазы. В один полупериод величина тока будет соответствовать одному значению параметров делителя, а в другой полупериод будет соответствовать другому значению параметров высоковольтного делителя. Для промышленной частоты 50 Гц в этом случае за одну секунду будет произведено 50 замеров с одним сопротивлением цепи и 50 замеров с другим сопротивлением. За одну секунду 50 раз будут изменены параметры цепи. При этом не будут возникать процессы, свойственные перекоммутации, так как переключения производятся во время прохождения «нуля» фазным напряжением. Температурный режим включаемого-выключаемого сопротивления будет стабильным, так как резистор обладает определенной температурной инерционностью, и изменения температуры за 1/50 долю секунды будут весьма незначительными. Резистор будет находиться в «квазистационарном» температурном режиме, на который он выйдет через несколько десятков или сотен циклов включения-выключения.
Сопротивление высоковольтной части при этом способе измерения можно не учитывать. Сопротивление высоковольтного плеча может даже быть не активным, а реактивным. То есть высоковольтное плечо может быть выполнено емкостным в виде конденсатора на полное измеряемое напряжение. Емкость в высоковольтной части делителя может не быть калиброванной, точной, стабилизированной и постоянной.
Чтобы исключить влияние реактивного сопротивления высоковольтной части на результаты измерения, необходимо, чтобы реактивное сопротивление высоковольтного плеча при разных вариациях активного сопротивления низковольтного плеча оставалось одинаковым. Реактивное сопротивление высоковольтного плеча может даже изменяться, и это не повлечет изменений в результатах измерения. Однако изменения сопротивления высоковольтного плеча должны быть медленными настолько, чтобы этими изменениями за время между соседними циклами вариационного измерения можно было пренебречь. Например, для промышленной частоты высоковольтный делитель может изменяться, но скорость этих изменений должна быть настолько мала, чтобы за время 1/50 секунды этими изменениями можно было пренебречь. Все факторы, влияющие на величину реактивного и активного сопротивления высоковольтной изоляции, кроме аварийных, имеют значительно меньшую скорость. Благодаря возможности проводить измерения в реальном времени с частотой, соответствующей частоте переменного тока, и способу, исключающему значение сопротивления высоковольтного плеча делителя, появилась возможность использовать комбинированный вариационный емкостно-резистивный делитель в качестве измерительного трансформатора тока для эксплуатации вне помещения. Низковольтное плечо делителя при этом необходимо защитить от любых воздействий, изменяющих сопротивление. Так как низковольтное плечо может иметь небольшие размеры и может быть помещено в защищаемое место, это требование легко выполнимо.
Данный способ измерения переменного напряжения найдет применение в устройствах, работающих на основе делителя напряжения при невозможности использования прецизионных сопротивлений для высоковольтного плеча, а также в тех случаях, когда сопротивление высоковольтного плеча может меняться и невозможно применять традиционные делители напряжения.
Способ измерения напряжения вариационным делителем напряжения может быть реализован в различных устройствах. Для управления током в зависимости от направления в качестве элемента с односторонней проводимостью возможно применение, в частности, диодов.
Реализация изобретения и примеры устройств, работающих на заявленном методе На предприятии-заявителе разработали несколько устройств, использующих предложенный метод измерения. Ниже приводятся схемы и формулы расчета семи из них.
Устройство на основе вариационного делителя напряжения содержит высоковольтное емкостное плечо и два последовательно соединенных сопротивления в низковольтном плече делителя (Фиг.1). Параллельно одному из сопротивлений R1 низковольтного плеча включен элемент с односторонней проводимостью, например диод D1. Ток или напряжение низковольтного плеча делителя снимается с выводов другого сопротивления R2. Устройство работает следующим образом. Переменный ток в первый полупериод протекает по емкости Свх высоковольтного плеча делителя и по двум сопротивлениям низковольтного плеча R1 и R2. Диод D1 в это время закрыт и не проводит ток. Аналого-цифровой преобразователь или осциллограф фиксирует падение напряжения U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, диод D1 открывается и "закорачивает" одно из сопротивлений R1, течет по сопротивлению R2 низковольтного плеча и через емкость высоковольтного плеча Свх. АЦП или осциллограф снимает мгновенные значения падения напряжения на выходе низковольтного плеча делителя во втором полупериоде U2. Так как сопротивление цепи во втором полупериоде меньше, ток по цепи пойдет больше и, соответственно, изменится напряжение, регистрируемое на выходе делителя. Ток и напряжение в разные полупериоды будут разные. U1 будет отличаться от U2. Измеренное напряжение во втором полупериоде U2 также подается в компьютер, где производятся вычисления значения высоковольтного напряжения с использованием значений замера на предыдущем полупериоде U1. В качестве элемента с односторонней проводимостью возможно применение нескольких диодов, мостовых выпрямителей, транзисторов, тиристоров и т.д. В качестве емкости высоковольтного плеча используется нестабилизированный конденсатор на полное измеряемое высоковольтное напряжение. Емкость конденсатора должна быть достаточной для протекания емкостного тока и произведения замеров. Работа предложенного устройства поясняется чертежом на Фиг.1. Значение напряжения Ubx для идеального случая, когда диод не имеет сопротивления в открытом состоянии и имеет бесконечно большое сопротивление в закрытом состоянии (Фиг.1), вычисляется по формуле:
1
где: U - напряжение на делителе в первый полупериод;
2
U- напряжение на делителе во второй полупериод;
1
1
R - сопротивление в первый полупериод (R);
2
1
2
R - сопротивление во второй полупериод (R+R).
Как видно из формулы, емкость высоковольтного плеча не влияет на значение измеряемой величины напряжения Uвx.
Другое устройство на основе предложенного способа измерения с делителем напряжения содержит емкостное высоковольтное плечо и два разных сопротивления в низковольтном плече, включенных параллельно через диоды. Дополнительно низковольтное плечо имеет, по крайней мере, один диод в качестве элемента с односторонней проводимостью, включенный последовательно с сопротивлениями. Сущность этого устройства поясняется чертежом на Фиг.3. Устройство работает следующим образом. Переменный ток Uвx в первый полупериод протекает по конденсатору высоковольтного плеча делителя Свх и по одному из сопротивлений низковольтного плеча R1 через открытый диод D1, соединенный последовательно с этим сопротивлением. Диод D2, последовательно соединенный с другим сопротивлением R2, в это время закрыт и не проводит ток. Аналого-цифровой преобразователь или осциллограф фиксирует падение напряжения U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, другой диод D2 открывается, а первый D1 закрывается, ток течет по другому сопротивлению R2 низковольтного плеча и по емкости Свх высоковольтного плеча. АЦП или осциллограф снимает мгновенные значения падения напряжения на выходе низковольтного плеча делителя U2. Так как сопротивление цепи во втором полупериоде оказалось отличным от сопротивления в первом полупериоде, ток по цепи пойдет другой и, соответственно, изменится напряжение, регистрируемое на выходе делителя. Ток и напряжение в разные полупериоды будут разные. Измеренное напряжение во втором полупериоде U2 также подается в компьютер, где производятся вычисления значения высоковольтного напряжения с использованием значений замера на первом полупериоде U1. Если не учитывать внутреннее сопротивление диодов в открытом состоянии и считать, что в закрытом состоянии диод имеет бесконечно большое сопротивление, то напряжение Uвx для Фиг.2 и Фиг.3 можно найти по формуле:
1
где: U - напряжение на делителе в первый полупериод;
2
U - напряжение на делителе во второй полупериод;
1
1
R - сопротивление в первый полупериод (R);
2
2
R - сопротивление во второй полупериод (R).
Расчетная формула для Фиг.2 и Фиг.3 оказывается идентичной в силу одинаковых параметров электрической цепи для каждого полупериода, одинакового пути прохождения электрического тока несмотря на разные принципиальные схемы.
Если в устройстве Фиг.3 из двух диодов на каждой параллельной ветви оставить только один диод на одной из ветвей, устройство будет работать следующим образом (Фиг.4).
Переменный ток напряжением Uвx в первый полупериод протекает по емкости высоковольтного плеча делителя Свх и по двум параллельным сопротивлениям R1 и R2 низковольтного плеча через открытый диод, соединенный последовательно с этим сопротивлением. Аналого-цифровой преобразователь или осциллограф фиксирует падение напряжение U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, диод закрывается и ток течет по одному сопротивлению низковольтного плеча R1 и по емкости Свх высоковольтного плеча. АЦП или осциллограф снимает мгновенные значения падения напряжения U2 на выходе низковольтного плеча делителя. Так как сопротивление цепи во втором полупериоде оказалось отличным от сопротивления в первом полупериоде, ток по цепи пойдет другой и, соответственно, изменится напряжение, регистрируемое на выходе делителя. Ток и напряжение в разные полупериоды будут разные. Измеренное напряжение U2 во втором полупериоде также подается в компьютер, где производятся вычисления значения высоковольтного напряжения с использованием значений замера на первом полупериоде U1 другого осциллографа или АЦП. Если не учитывать внутреннее сопротивление диодов в открытом состоянии и считать, что в закрытом состоянии диод имеет бесконечно большое сопротивление, то напряжение Uвx для Фиг.4 можно найти по формуле:
1
где: U - напряжение на делителе в первый полупериод;
2
U - напряжение на делителе во второй полупериод;
1
1
R - сопротивление в первый полупериод, на Фиг.4 обозначено - R;
2
1
2
R - сопротивление во второй полупериод, на Фиг.4 как сумма параллельных резисторов R и R, равная
В устройстве, изображенном на Фиг.5, вариация параметров сопротивления низковольтного плеча делителя производится вручную с помощью ключа К. В этом случае U1 - значение падения напряжения на выходе низковольтного плеча при замкнутом ключе, а U2 - при разомкнутом.
Формула расчета Uвx идентична формуле для Фиг.1.
В случае использования изолирующего промежутка между высоковольтным проводом с находящимся на нем устройством и землей в качестве конденсатора возможно применение данного способа в следующем устройстве. Резистивный делитель с возможностью вариации сопротивления плеча находится под высоковольтным потенциалом, а емкостное плечо содержит одну обкладку в виде пластины большого размера, имеющей емкостную связь с поверхностью земли через воздушный изоляционный промежуток. Таким образом, второй обкладкой конденсатора емкостного плеча является поверхность земли. Так как в примененном емкостно-резистивном делителе с вариацией сопротивления нет необходимости в точном соблюдении параметров емкости, изменение емкости такого конденсатора не повлияет на точность результатов измерений. Единственным условием удовлетворительной работы такого устройства будет величина емкости для обеспечения достаточной величины емкостного тока, необходимой для проведения измерений.
На предприятии-заявителе были изготовлены макеты устройств в соответствии с Фиг.3 и Фиг.5 на основе предложенного метода. В макетах использовались металлооксидные резисторы, диоды типа Д226. Напряжение высоковольтной части было выбрано 6000 В, на низковольтном плече устройства были получены средние напряжения 10.25 В и 10.88 В соответственно для разных полупериодов измерения. Измерения фиксировались АЦП с 12 разрядами. Данные в цифровом виде передавались на IBM-совместимый компьютер и обрабатывались вычислительной программой. По результатам испытаний получены 4900 замеров мгновенных значений (100 периодов по 49 точек за период). Анализ результатов испытаний показал высокую повторяемость измерений, высокую точность и воспроизводимость результатов, отсутствие искажений при токах короткого замыкания, отсутствие искажений в результате воздействия вибрации, отсутствие искажений при изменении магнитного поля в месте замеров, отсутствие искажений результатов при прохождении электрических разрядов по воздуху.
Конструкция устройства поясняется чертежами
На всех фигурах следующие обозначения:
1 - высоковольтное емкостное плечо делителя
2 - низковольтное резистивное плечо делителя
3 - сопротивление №1
4 - сопротивление №2
5 - элемент с односторонней проводимостью
6 - емкость высоковольтного плеча
7 - ключ
8 - низковольтное измерительное устройство (вольтметр, АЦП)
Uвx - измеряемое входное высоковольтное напряжение
U1 - напряжение на делителе в первый полупериод
U2 - напряжение на делителе во второй полупериод
D1 - диод, открытый в первый полупериод
D2 - диод, открытый во второй полупериод
R1 - первый резистор
R2 - второй резистор
Свх - конденсатор высоковольтного плеча делителя
Фиг.1 - Электрическая схема с емкостным высоковольтным плечом и последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним элементом односторонней проводимости.
Фиг.2 - Электрическая схема с емкостным высоковольтным плечом и последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и двумя элементами односторонней проводимости.
Фиг.3 - Электрическая схема устройства с емкостным высоковольтным плечом и параллельным соединением сопротивлений низковольтного плеча и двумя элементами односторонней проводимости.
Фиг.4 - Электрическая схема устройства с емкостным высоковольтным плечом и параллельным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним элементом односторонней проводимости.
Фиг.5 - Электрическая схема с емкостным высоковольтным плечом и последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и ключом для ручного переключения.
Фиг.6 - Электрическая схема с емкостным плечом и последовательным соединением сопротивлений и одним элементом односторонней проводимости. На высоковольтном потенциале находится резистивный делитель, а на низковольтном потенциале находится емкостное плечо.
Фиг.7 - Иллюстрация к электрической схеме на Фиг.6. Емкость выполнена в виде одной пластины большой площади, диэлектрического промежутка, образованного воздухом, и другой пластины, находящейся под потенциалом земли, или самой поверхности земли.