УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТОК ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
DEVICE TO MEASURE ACTIVE RESISTANCE OF ELECTRICAL EQUIPMENT WINDINGS

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям активного сопротивления обмоток различного электротехнического оборудования, например: трансформаторов, дросселей, реакторов, электродвигателей, электрогенераторов, электромагнитов и др. Изобретение может быть использовано в энергетике при пусконаладочных, профилактических и ремонтных работах на электрооборудовании, а также на заводах-изготовителях такого оборудования.
Известно устройство «Измеритель сопротивлений ПФИ24-10Р» (изготовитель ООО «НПФ ИНФРОХОМ-99», г.Москва, www.infochrom.ru; в приложении 1 приведена копия технического описания и руководства по эксплуатации), содержащее стабилизатор тока, по входу соединенный с одним полюсом источника питания, а по выходу - с первым концом обмотки, активное сопротивление которой требуется измерить. Второй конец обмотки через набор шунтов соединен со вторым полюсом источника питания. К концам обмотки подсоединен первый аналого-цифровой преобразователь, а к потенциальным концам шунтов - второй аналого-цифровой преобразователь. К входам микропроцессора подключены выходы обоих аналого-цифровых преобразователей и клавиатура, а к его выходу - дисплей.
Определение неизвестного активного сопротивления обмотки заключается в пропускании через обмотку и один из шунтов постоянного стабилизированного тока, измерении аналого-цифровыми преобразователями напряжения на обмотке и на шунте, и вычислении сопротивления по закону Ома путем деления в микропроцессоре результата измерения первого аналого-цифрового преобразователя на результат измерения второго аналого-цифрового преобразователя.
Весь диапазон измеряемых сопротивлений разделен на несколько поддиапазонов, переключение которых производится вручную путем переключения шунтов и уставок стабилизируемого тока. Внутри каждого поддиапазона сопротивлений ток остается неизменным.
Недостатком устройства является значительное изменение напряжения на активном сопротивлении в начале и конце каждого поддиапазона (до десяти раз). Это обусловливает такие же изменения мощности полезного сигнала на обмотке и при постоянной мощности помех на подстанции, где стоит трансформатор, приводит к большим колебаниям точности измерения активного сопротивления внутри каждого поддиапазона. То есть фактическая точность измерения уже не соответствует паспортной, определенной в лабораторных условиях на образцовых мерах. Кроме того, в начале каждого поддиапазона, когда сопротивление обмотки еще мало, практически вся мощность источника питания падает на стабилизаторе тока и превращается в тепло. Это вынуждает ограничивать максимальные значения тока и напряжения устройства, а значит, и мощность полезного сигнала на сопротивлении обмотки.
Рассмотренную схему имеют практически все приборы для измерения активного сопротивления, имеющиеся на рынке России (схема эта легко распознается по техническим характеристикам приборов, где приводятся поддиапазоны измеряемых сопротивлений и значение тока для каждого поддиапазона):
«Цифровой микроомметр ПТФ-1», изготовитель ООО «ЭЛТЕХ», г.Екатеринбург, www.eltech-pribor.ru;
«Измеритель сопротивления обмоток ИСО-1», изготовитель НТК «Гамма», г.Санкт-Петербург, www.ntc-retec.ru;
«Омметр ВИТОК», изготовитель ФГУП «НИИЭМП», г.Пенза, www.penzapribor.ru;
«Микроомметр/миллиомметр РЕТ-МОМ», изготовитель НПП «Динамика», г.Чебоксары, www.dynamics.com.ru;
«Микромилликилоомметр МИКО-2.3», изготовитель ООО «СКБ ЭП», г.Иркутск, www.skbpribor.ru;
«Микроомметры MMR-600 и MMR-610», изготовитель Sonel, Польша, www.sonel.ru;
«Микроомметр С.А 10», изготовитель Chauvin Arnoux, Франция, www.electronpribor.ru;
«Микроомметр С.А 6250», изготовитель Chauvin Arnoux, Франция, www.electronpribor.ru;
«Трансформаторный микроомметр Tinsley 5895», изготовитель Tinsley Precision Instruments, Англия, www.vltest.ru.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является «Измерительный комплекс активного сопротивления ИКАС-07, изготовитель ООО «НПП АВЭМ», г.Новочеркасск, www.avem.ru.
В приложении 2 дана информация по измерительному комплексу ИКАС-07, взятая с указанного сайта в 2010 г. В 2011 г. вся техническая информация об измерительном комплексе убрана с сайта. По запросу получены технические характеристики измерительного комплекса ИКАС-08, приложение 3. Как из них следует, в новом приборе увеличена только мощность блока питания и максимальные значения измерительного тока и напряжения. Рабочий диапазон температур не изменился.
Комплекс содержит импульсный стабилизатор тока с LC-фильтром, соединенный по входу с первым полюсом блока питания, а по выходу через блок силового коммутатора - с первым концом измеряемой обмотки, второй конец которой соединен через блок нормирования тока (набор шунтов с ключами) со вторым полюсом блока питания. Вход первого канала аналого-цифрового преобразователя соединен с потенциальными выводами блока нормирования тока, а вход второго канала аналого-цифрового преобразователя через блок нормирования напряжения соединен с концами обмотки. К входам микропроцессора подключены выход аналого-цифрового преобразователя и клавиатура, а к его выходам - входы управления стабилизатора тока, блока силовых, коммутаторов, блоков нормирования напряжения и тока, и дисплей.
Наиболее важной особенностью этого устройства, отличающей его от всех вышеупомянутых устройств, является выполнение двух измерений: предварительного на малом токе и основного, причем величина тока основного измерения автоматически рассчитывается микропроцессором по значению активного сопротивления, полученному в предварительном измерении. Эта особенность позволяет рассчитать и задать максимально возможный ток (в пределах мощности блока питания) основного измерения для каждого значения сопротивления. Исчезли за ненадобностью поддиапазоны, а с ними - и зависимость мощности полезного сигнала от местонахождения величины сопротивления внутри поддиапазона. Поэтому отсутствие в технических характеристиках поддиапазонов измеряемых сопротивлений и значения тока для каждого поддиапазона является определяющим признаком задания тока основного измерения индивидуально для каждого значения сопротивления, вычисленного в предварительном измерении.
Мощность полезного сигнала на обмотке при основном измерении в (10…1000) раз превышает аналогичную мощность перечисленных выше устройств, что позволяет приблизить фактическую точность измерения на обмотке в условиях помех подстанции к точности измерения в лабораторных условиях на образцовых катушках сопротивления. Но линейные стабилизаторы тока, как правило, применяемые в вышеупомянутых устройствах, при таких больших мощностях применять уже не рационально из-за их низкого коэффициента полезного действия. Поэтому в этом устройстве использован импульсный стабилизатор тока, имеющий гораздо больший коэффициент полезного действия.
Недостатком устройства является ограниченный рабочий диапазон температур от +5°С до +40°С согласно его техническим характеристикам. Но аварии электротехнического оборудования происходят и в зимнее время, и после устранения последствий аварии согласно руководящей документации (РД) «Объемы и нормы испытаний электрооборудования» должны быть измерены активные сопротивления обмоток всех трех фаз. А ограничение рабочего диапазона температур известного устройства вызвано особенностью внутреннего строения импульсных стабилизаторов, обязательным элементов которых является LC-фильтр, служащий для сглаживания импульсов тока. Этот фильтр очень затрудняет задачу достижения одновременно и устойчивости стабилизатора от самовозбуждения и большого петлевого усиления, так как эти требования взаимоисключающие. А из-за малой величины петлевого усиления в замкнутой системе регулирования, каковой и является импульсный стабилизатор тока, изменение параметров составляющих ее элементов приводит к изменению величины стабилизируемого тока при изменении температуры, что и вынуждает ограничивать их рабочий температурный диапазон только положительными температурами.
Другим недостатком устройства является увеличенная погрешность измерения при больших индуктивностях обмотки. Указанная выше недостаточная стабильность тока импульсного стабилизатора вносит падение напряжения на индуктивности обмотки согласно выражению:
где  - скорость изменения тока, возникающая при любых изменениях тока в индуктивности.
изм
Разделив обе части выражения на величину I, получим:
обм
изм
где второй член дает значение дополнительной погрешности измерения в зависимости от величины индуктивности L при известной относительной нестабильности тока δI за время dt одного измерения сопротивления. Трехфазные трансформаторы на (220…750)кВ из-за большого числа витков имеют очень большие значения индуктивности обмоток. При этом согласно упомянутой выше РД активные сопротивления одинаковых обмоток не должны отличаться более чем на 2%. Следовательно, чтобы уменьшить риск забраковки исправного трансформатора по результатам измерения активного сопротивления, суммарная погрешность измерительного прибора (основная и дополнительная) должна быть раз в десять меньше. Отсюда и высокие требования к стабильности тока стабилизатора.
Третьим недостатком устройства являются периодические паузы поступления оцифрованных значений тока и напряжения в микропроцессор вследствие поочередного измерения двумя каналами аналого-цифрового преобразователя.
Он особенно сказывается при измерениях на подстанциях сверхвысокого напряжения (500 кВ и выше), с мощными трансформаторами. Большое реактивное сопротивление обмоток, высокое напряжение и коммутируемые мощности вызывает большой уровень помех на вводах измеряемого трансформатора, отключенного от напряжения.
Из-за сокращения в два раза числа измеренных значений тока и напряжения ухудшается их цифровая фильтрация в микропроцессоре и в два раза возрастает погрешность измерения при том же времени измерения. Или в два раза увеличивается время измерения при той же погрешности. А время измерения сопротивления одной из шести-девяти обмоток для мощных трансформаторов уже составляет 20-40 минут.
Для устранения указанного недостатка нужно, чтобы измерения и тока, и напряжения велись непрерывно без каких-либо пауз.
Сущность изобретения
Цель изобретения - расширение температурного диапазона устройства до диапазона температур эксплуатации электротехнического оборудования на открытых подстанциях, т.е. от -40°С до +40°С и повышение точности измерения активного сопротивления обмоток с большой индуктивностью.
Для достижения поставленной цели известное устройство для измерения активного сопротивления, содержащее:
- блок питания и стабилизатор тока, выход которого соединен с одним концом измеряемой обмотки, второй конец которой соединен через блок нормирования тока, представляющего собой набор шунтов с ключами, со вторым полюсом блока питания;
- аналого-цифровой преобразователь, к входу которого подсоединены потенциальные выводы блока нормирования тока;
- микропроцессор, к входам которого подключены выход аналого-цифрового преобразователя и клавиатура, а к выходам: вход управления блока нормирования тока, вход управления блока нормирования напряжения и вход управления стабилизатора тока для задания тока, величина которого рассчитана по значению активного сопротивления обмотки, полученному в предварительном измерении;
- дисплей, подключенный к выходу микропроцессора;
дополнительно снабжено импульсным стабилизатором напряжения, включенным между первым полюсом блока питания и входом стабилизатора тока, при этом в качестве стабилизатора тока применен линейный стабилизатор тока, а также снабжено вторым аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к выходу блока нормирования напряжения, а выход второго аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу микропроцессора.
Таким образом, цель изобретения достигается заменой импульсного стабилизатора тока на последовательно включенные импульсный стабилизатор напряжения и линейный стабилизатор тока, и заменой одного двухканального аналого-цифрового преобразователя на два раздельных аналого-цифровых преобразователя.
Высокая температурная стабильность линейного стабилизатора тока обеспечивает работу устройства в широком температурном диапазоне и значительно меньшую дополнительную погрешность при большой индуктивности обмотки. А стабильность его тока при колебаниях входного напряжения допускает питать его от не очень стабильного импульсного стабилизатора напряжения, но зато с большим коэффициентом полезного действия, не худшим, чем у импульсного стабилизатора тока. Регулируемый стабилизатор напряжения на входе линейного стабилизатора тока позволяет задавать напряжение необходимой величины на разных этапах процесса измерения сопротивления, в том числе и предельно уменьшать, чтобы снизить рассеиваемую мощность на стабилизаторе тока. Поэтому мощность полезного сигнала на обмотке ограничивается лишь мощностью блока питания, как и в комплексе ИКАС-07.
Стабильность тока линейного стабилизатора достигается за счет большой величины петлевого усиления (несколько тысяч), пропорционально которой уменьшается влияние на величину тока изменений параметров большинства составляющих его элементов. А отсутствие LC-фильтра обеспечивает необходимый запас устойчивости. При таких коэффициентах петлевого усиления стабильность определяется практически двумя элементами: источником опорного напряжения и шунтами. Современные источники опорного напряжения имеют нестабильность порядка (2÷10) ppm/°С, шунты из манганина - (10…20) ppm/°С, а фирма Vishay поставляет шунты с нестабильностью до 0,4 ppm/°С. Что для диапазона от -40°С до +40°С дает следующие значения температурной нестабильности: (0,016…0,08)%; (0,08…0,16)% и 0,0032%.
Два аналого-цифровых преобразователя выдают оцифрованные значения тока и напряжения непрерывно и без пропусков. Благодаря этому подавление помех в цифровом фильтре увеличивается в два раза и во столько же возрастает точность измерения без увеличения времени измерения.
Функциональная схема предложенного устройства изображена на фиг.1.
Устройство содержит последовательно соединенные блок питания 1, импульсный стабилизатор напряжения 2, линейный стабилизатор тока 3 и включенный через измеряемую обмотку блок нормирования тока 4, выполненный в виде набора шунтов с ключами. Потенциальные выводы блока нормирования тока 4 подсоединены к входу аналого-цифрового преобразователя 5. Концы измеряемой обмотки подключены к входу блока нормирования напряжения 6, выполненного в виде многопредельного резисторного делителя напряжения, а выход блока подсоединен к входу второго аналого-цифрового преобразователя 7. Выходы аналого-цифровых преобразователей 5 и 7 подключены к входам микропроцессора 8; к нему же подключена клавиатура 9. Выходы микропроцессора 8 соединены с дисплеем 10 и со входами управления стабилизатора напряжения 2. линейного стабилизатора тока 3, блока нормирования тока 4 и блока нормирования напряжения 6.
акт.(предв.)
Устройство (фиг.1) работает следующим образом. Вначале производится предварительное измерение активного сопротивления. После включения тока линейного стабилизатора тока 3 аналого-цифровые преобразователи 5 и 7 непрерывно измеряют и передают в микропроцессор 8 значения напряжения и тока в обмотке. Программа но этим данным определяет момент окончания переходного процесса в обмотке и последнее вычисленное значение сопротивления принимается за результат предварительного измерения R.
акт(предв.)
В начале этапа основного измерения по величине R и номинальной мощности блока питания рассчитывается максимально возможное значение тока, величина выходного напряжения стабилизатора напряжения 2 и другие параметры. Далее микропроцессором 8 задаются по управляющим входам блоков: рассчитанная величина напряжения стабилизатора напряжения 2, уставка тока линейного стабилизатора тока 3, коэффициент деления напряжения в блоке нормирования напряжения 6, номер шунта в блоке нормирования тока 4, а затем включается ток.
На этапе основного измерения в процессе установлении тока, пока он не достигнет величины уставки, линейный стабилизатор тока 3 полностью открыт, падение напряжение и выделяемая на нем мощность ничтожны, а все выходное напряжение стабилизатора напряжения 2 приложено к обмотке. Большая величина заданного напряжения сокращает время нарастания тока до его уставки.
Благодаря большому петлевому усилию линейного стабилизатора тока 3 этот момент определяет очень точно и линейный стабилизатор тока 3 быстро переходит в режим стабилизации заданного тока. А так как ток перестал изменяйся, его скорость стала равной нулю и напряжение на обмотке быстро спадает от максимального до величины:
где ΔU - остаточное напряжение, вызванное зарядом межвитковой емкости обмотки и медленными процессами поляризации в изоляции обмотки.
Микропроцессор 8, непрерывно получающий информацию о напряжении на обмотке, в момент его резкого спада уменьшает выходное напряжение стабилизатора напряжения 2 и далее поддерживает его на таком уровне, чтобы падение напряжения на линейном стабилизаторе тока 3 было минимальным (около 1В) и лишь достаточным, чтобы линейный стабилизатор тока 3 оставался в линейном режиме. В результате выделяемая на линейном стабилизаторе тока 3 мощность даже при самом большом измерительном токе остается на минимально возможном уровне.
акт.
изм.
акт.
акт.
В процессе установления напряжения на обмотке, пока величина ΔU не спадает до нуля, микропроцессор 8 вычисляет значения R и I, фильтрует от помех согласно алгоритму, записанному в программе, и выводит их значение на дисплей 10. Момент равенства ΔU=0, когда величина R приобретает точное значение, определяется либо автоматически программой микропроцессора 8, либо самим пользователем устройства по прекращению изменений значений R на дисплее 10.