УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЕМКОСТЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
APPARATUS FOR MEASURING CAPACITANCE OF WINDING INSULATION OF DOUBLE-WINDING TRANSFORMERS

Изобретение относится к технике электрических измерений, в частности к измерениям электрических емкостей изоляции электрооборудования и может быть использовано для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора с целью контроля состояния обмоток трансформатора.
При внезапном коротком замыкании трансформатора в его обмотках возникают механические усилия, стремящиеся растянуть наружную обмотку и сжать внутреннюю. Кроме того, между витками одной и той же обмотки действуют усилия, которые стремятся сжать обмотку по высоте. Эти силы способны деформировать обмотки, что может привести к аварии трансформатора. Поэтому необходим периодический контроль состояния обмоток трансформатора. О геометрии обмоток можно судить по значению их индуктивности, измеряя сопротивление короткого замыкания. Однако более эффективным и чувствительным методом оценки состояния обмоток трансформатора является измерение их емкостей относительно «земли» и относительно друг друга. Этот метод весьма чувствителен даже к небольшим изменениям геометрии обмоток, что выгодно отличает его от традиционного метода измерения сопротивления короткого замыкания.
Известно устройство для измерения эффективной электрической емкости методом амперметра и вольтметра, а также с помощью фарадометра, куметра и моста переменного тока [1, 2, 3]. Недостатком этих устройств является наличие подвижных механических частей и невысокое быстродействие.
Наиболее близким техническим решением - прототипом к предлагаемому изобретению является устройство, для измерения электрической емкости [4], содержащее источник синусоидального напряжения, эталонный резистор, усилитель, индикатор, две выходных вывода, в котором первый вывод эталонного резистора соединен с первым выводом источника синусоидального напряжения, второй вывод эталонного резистора соединен с первым выходным выводом устройства и входом усилителя, выход которого соединен с входом индикатора.
Суть его заключается в том, что емкость измеряется на основе метода амперметра и вольтметра. Здесь под термином «емкость» C будем понимать, как это принято в [4] эффективную емкость, определяющую полное сопротивление конденсатора при данной угловой частоте ω:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>ω</mi><mi>Z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mi>U</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При известном напряжении U и угловой частоте ω ток в цепи пропорционален измеряемой эффективной емкости C:I=ωUC=kC, где k - коэффициент пропорциональности. Далее термин «эффективная» перед словом «емкость» будем опускать. При низких частотах индуктивностью конденсаторов можно пренебречь. Поэтому при малых значениях индуктивности и tgδ значение емкости С будет совпадать с значением емкости в последовательной и параллельной схемах замещения.
Недостатком указанного устройства является то, что измерение с его помощью емкостей объекта, имеющего три вывода, между каждым из которых и двумя остальными выводами имеется электрическая емкость, связано со сложными вычислениями на основании результатов трех измерений. Поясним процесс измерения емкостей. На рис.1 обозначены:
0 - вывод корпуса трансформатора,
1 - вывод первой обмотки трансформатора,
2 - вывод второй обмотки трансформатора,
10
С - емкость первой обмотки относительно корпуса,
20
С - емкость второй обмотки относительно корпуса,
12
C - емкость первой обмотки относительно второй. Для определения емкостей, как это видно из рис.1, а, необходимо выполнить три измерения емкостей:
1) между точками 1 и 2
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2) между точками 1 и 0
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3) между точками 2 и 0
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
3
12
10
20
Далее, используя полученные при измерении значения C, С и С, решая уравнения (2)-(4), определяют искомые значения емкостей С С и С.
Цель изобретения - упрощение процесса измерения и определения емкостей за счет исключения при каждом измерении одного конденсатора. Поясним предлагаемый порядок измерения.
12
При измерении по первой схеме, показанной на рис.1, б, испытательное напряжение подано на обе обмотки 6 и 7, их потенциалы будут равны и емкостной ток между обмотками протекать не будет. Это значит, что емкость C между обмотками исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
20
При измерении по второй схеме, показанной на рис.1, в, потенциал на второй обмотке будет равен потенциалу на корпусе трансформатора и емкость С между второй обмоткой и корпусом исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
10
При измерении по третьей схеме, показанной на рис.1, г, потенциал на первой обмотке будет равен потенциалу на корпусе трансформатора и емкость C между первой обмоткой и корпусом исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
10
20
12
Итак, имеем три линейных уравнения с тремя неизвестными C, C и C. Из уравнений (5)-(7) легко определяются неизвестные емкости:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таким образом, процесс определения частичных емкостей объекта измерения значительно упрощается.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрической емкости [4], содержащее источник синусоидального напряжения, эталонный резистор, усилитель, индикатор, два выходных вывода, к которым подключают объект испытания, в котором первый вывод эталонного резистора соединен с первым выводом источника синусоидального напряжения, второй вывод эталонного резистора соединен с первым выходным выводом устройства и входом усилителя, выход которого соединен с входом индикатора введены два реле с переключающимися контактами, переключатель на три положения, два двухвходовых элемента ИЛИ, два усилителя мощности, выходной вывод устройства и источник питания цепей управления, причем замыкающие контакты переключающихся контактов реле соединены с вторым выводом источника синусоидального напряжения, а размыкающие контакты этих реле соединены с первым выводом источника синусоидального напряжения, подвижный контакт первого реле соединен с вторым выходным выводом устройства, подвижный контакт второго реле соединен с третьим выходным выводом устройства, подвижный контакт переключателя на три положения соединен с выходным выводом источника питания цепей управления, первый неподвижный контакт переключателя соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом второго элемента ИЛИ, второй неподвижный контакт переключателя соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, третий неподвижный контакт переключателя соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом первого усилителя мощности, выход которого соединен с входом втягивающей катушки первого реле, выход второго элемента ИЛИ соединен с входом второго усилителя мощности, выход которого соединен с входом втягивающей катушки второго реле.
Структурная схема устройства для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора представлена на рисунке 2. На рисунке 2 обозначено:
1 - источник синусоидального испытательного напряжения,
2 - эталонный резистор,
3, 4, 5 - первый, второй и третий выходные выводы устройства,
6, 7 - первая и вторая обмотки испытуемого трансформатора,
12
8 - емкость C между первой и второй обмотками трансформатора,
10
9 - емкость C первой обмотки трансформатора на корпус,
20
10 - емкость C второй обмотки трансформатора на корпус,
11, 12 - силовые переключающие контакты первого и второго реле,
13 - усилитель,
14 - индикатор,
15 - переключатель на три положения,
16, 17, 18 - первый, второй и третий неподвижные контакты переключателя 15 на три положения,
19, 20 - первый и второй двухвходовые элементы ИЛИ,
21, 22 - первый и второй усилители мощности,
23, 24 - катушки первого и второго реле
25 - источник питания цепей управления.
1
10
20
Устройство работает следующим образом. Когда переключатель 15 находится в первом положении, то его подвижный контакт соединен с первым неподвижным контактом 16. При этом на первых входах первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ появляется единичный сигнал. На выходах первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ также появляются единичные сигналы, которые через усилители мощности 21 и 22 подаются на катушки первого 23 и второго 24 реле. Первое и второе реле срабатывают и замыкают свои замыкающие силовые контакты 11 и 12. При этом собирается схема по рис 1, б, по которой измеряется емкость C=C+C. Результат первого измерения считывается с индикатора 14.
2
10
12
Далее переключатель 15 переводят во второе положение, при котором его подвижный контакт соединен с вторым неподвижным контактом 17. При этом сигнал на втором входе первого двухвходового элемента 19 равен единице, а сигналы на обоих входах второго элемента 20 ИЛИ становятся равными нулю. Сигнал на выходе первого двухвходового элемента 19 ИЛИ остается равным единице, а сигнал на выходе второго двухвходового элемента 20 ИЛИ становится равным нулю. Первое реле остается включенным, а второе реле обесточивается и его размыкающие контакты 12 замыкаются. При этом собирается схема по рис 1,в, по которой измеряется емкость C=C+C. Результат второго измерения считывается с индикатора 14.
3
20
12
В третьем положении переключателя 15 его подвижный контакт соединен с третим неподвижным контактом 18. При этом сигнал на обоих входах первого двухвходового элемента 19 ИЛИ равен нулю, а сигналы на втором входе второго элемента 20 ИЛИ становятся равными единице. Сигнал на выходе первого двухвходового элемента 19 ИЛИ становится равным нулю, а сигнал на выходе второго двухвходового элемента 20 ИЛИ становится равным единице. Первое реле выключается, его размыкающие контакты замыкаются, а второе реле включается и его замыкающие контакты 12 замыкаются. При этом собирается схема по рис 1,г, по которой измеряется емкость C=C+C. Результат третьего измерения считывается с индикатора 14. После этого по результатам трех измерений значения искомых емкостей определяют по формулам (8)-(10).
Технико-экономический эффект определяется упрощением процесса измерения и определения емкостей за счет исключения при каждом измерении одного конденсатора.
Источники информации
1. Справочник по электроустановкам промышленных предприятий в 4-х томах. Том 3. Под ред. А.С. Дорофеюка и В.И. Круповича. М.-Л.: Энергия, 1965, с.139-140.
2. Электрические измерения. Учебник для студентов электроэнергетических вузов. Под ред. А.В. Фремке. Л.: Энергия, 1973, с.143, 236.
3. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.И. Душин и др. Под ред. Е.М. Душина - 6-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. 1987. 480 с. с.173, 196.
4. Эпштейн С.Л., Викулов А.П., Москвин В.Н. Справочник по измерительным приборам для радиодеталей. Под ред. Гайлиша Е.А. Л.: Энергия 1980. с.10.