СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВАРИАЦИОННЫМ ДЕЛИТЕЛЕМ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING ALTERNATING VOLTAGE USING VARIABLE VOLTAGE DIVIDER

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 выполнять функцию высоковольтной изоляции.
Предшествующий уровень техники
Переменное высоковольтное напряжение традиционно измеряется индукционными и емкостными трансформаторами напряжения.
Принцип действия индуктивных 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 плечах. 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 калибрования 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 12.5.1969 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 этого устройства является необходимость изменения параметров цепи делителя переключением ключа. При этом необходимо, чтобы сопротивление высоковольтной части за время переключения не изменилось. А после включения цепи с дополнительным резистором необходимо время на переходные процессы, сопровождающие любую коммутацию электрических аппаратов, особенно коммутацию переменного напряжения. Это вызвано тем, что разрыв цепи происходит во время какой-либо ненулевой фазы волны переменного напряжения. Так как в любой цепи есть индуктивность, при разрыве появляются высокочастотные составляющие образованного колебательного контура и, как следствие, коммутационные перенапряжения, иногда в 3-4 раза превосходящие измеряемое напряжение. Необходимо время для установления стабильных режимов, когда нельзя проводить измерения. Кроме того, любое сопротивление при включении в нагрузку начинает нагреваться и необходимо время для установления теплового режима работы включенного сопротивления. Невозможно автоматизировать процесс измерения для промышленного применения. Устройство можно применять только для эпизодических измерений в лабораторных условиях, а для измерения в реальном времени его применить невозможно, несмотря на все положительные стороны прототипа. Эти противоречия устранены в предлагаемом способе и устройствах, работающих на основе этих способов.
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 и атмосферных воздействий.
Описание
Решение поставленной цели достигается тем, что способ измерения высокого напряжения с помощью 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 очень 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. Чтобы исключить влияние сопротивления высоковольтной части на результаты измерения, необходимо, чтобы сопротивление высоковольтного плеча при разных вариациях сопротивления низковольтного плеча оставалось одинаковым. Сопротивление высоковольтного плеча может даже изменяться, и это не повлечет изменений в результатах измерения. Однако изменения сопротивления высоковольтного плеча должны быть медленными настолько, что этими изменениями за время между соседними циклами вариационного измерения можно было бы 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 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 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.
Предлагаемое устройство на основе вариационного делителя напряжения содержит высоковольтное 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 сопротивлению Rx 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 напряжение U1 на выходе низковольтного плеча и передает мгновенные значения в компьютер. Во второй полупериод ток течет в обратном направлении, диод открывается D1 и "закорачивает" одно из сопротивлений R1, течет по сопротивлению R2 низковольтного плеча и по сопротивлению высоковольтного плеча Rx. АЦП или осциллограф снимают 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. Работа предложенного устройства поясняется Фиг.1. Устройство, схема которого приведена на Фиг.5, является частным случаем устройства, схема которого приведена на Фиг.1. На Фиг.1 изображен идеальный диод; реальный диод можно представить как последовательно соединенный идеальный диод и некоторое сопротивление. Поэтому практически устройство, изображенное на схеме Фиг.1, работает как устройство, изображенное на схеме Фиг.5.
Значение напряжения Uвх для идеального случая, когда диод не имеет сопротивления в открытом состоянии и имеет бесконечно большое сопротивление в закрытом состоянии, для схемы на Фиг.1 вычисляется по формуле:
<img file="00000001.tif" he="11" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" />
где
U1 - напряжение на делителе в первый полупериод;U2 - напряжение на делителе во второй полупериод;R1 - первый резистор;R2 - второй резистор.
Значение напряжения Uвх для реальной схемы, изображенной на Фиг.5, вычисляется по формуле:
<img file="00000002.tif" he="15" wi="60" img-content="undefined" img-format="tif" />
где
U1 - напряжение на делителе в первый полупериод;U2 - напряжение на делителе во второй полупериод;R1 - первый резистор;R2 - второй резистор;Rд - реальное сопротивление диода.
Другое устройство на основе предложенного способа измерения с делителем напряжения содержит 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 на Фиг.3. Устройство работает следующим образом. Переменный ток Uвх в первый полупериод протекает по сопротивлению высоковольтного плеча делителя Rx 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 напряжение 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 сопротивлению Rx высоковольтного плеча. АЦП или осциллограф снимают 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 Uвх для устройств по схеме на Фиг.2 и Фиг.3 можно найти по формуле:
<img file="00000003.tif" he="14" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
где
U1 - напряжение на делителе в первый полупериод;U2 - напряжение на делителе во второй полупериод;R1 - первый резистор;R2 - второй резистор.
Расчетные формулы для устройств с принципиальными схемами, изображенными на Фиг.2 и Фиг.3, оказываются идентичными в силу одинаковых параметров электрической цепи для каждого полупериода. Электрическая цепь прохождения тока, несмотря на разные принципиальные схемы, одинакова. Если в этом устройстве из двух диодов на каждой параллельной ветви оставить только один диод на одной из ветвей, устройство будет работать следующим образом.
Переменный ток напряжением Uвх в первый полупериод протекает по сопротивлению высоковольтного плеча делителя 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 сопротивлению высоковольтного плеча. АЦП или осциллограф снимают 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 Uвх для Фиг.4 можно вычислить по формуле:
<img file="00000004.tif" he="11" wi="52" img-content="undefined" img-format="tif" />
где
U1 - напряжение на делителе в первый полупериод;U2 - напряжение на делителе во второй полупериод;R1 - первый резистор;R2 - второй резистор.
Реализация изобретения
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 вольт, на низковольтном плече устройства были получены средние напряжения 10.25 вольт и 10.88 вольт 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 (имитация удара молнии).
Конструкция устройства поясняется чертежами
На всех фигурах следующие обозначения:
1 - высоковольтное плечо делителя
2 - низковольтное плечо делителя
3 - сопротивление №1
4 - сопротивление №2
5 - элемент с односторонней проводимостью
6 - сопротивление высоковольтного плеча
7 - внутреннее сопротивление диода
8 - низковольтное измерительное устройство
Uвх - измеряемое входное 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
Фиг.1 - электрическая схема с последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним идеальным диодом.
Фиг.2 - электрическая схема с последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и двумя идеальным диодами.
Фиг.3 - электрическая схема устройства с параллельным соединением сопротивлений низковольтного плеча и двумя идеальными диодами.
Фиг.4 - электрическая схема устройства с параллельным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним идеальным диодом.
Фиг.5 - электрическая схема устройства с последовательным соединением сопротивлений низковольтного плеча и одним реальным диодом. В схеме учтено сопротивление реального диода в открытом состоянии.