Technologie

Przekładnik napięciowy małej mocy

Streszczenie: W artykule przedstawiono  aspekty konstrukcji i badania rezystancyjnych przekładników małej mocy do stosowania w sieciach średniego napięcia

Wstęp

Rezystancyjne przekładniki napięciowe małej mocy, ze względu na małe wymiary, niski koszt i korzystne parametry techniczne, są coraz częściej stosowane w sieciach SN.

Przekładnik napięciowy małej mocy opracowany w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym jest przystosowany do instalacji wyłącznie w głowicach konektorowych, sprzęgających i w ogranicznikach przepięć takich jak: CTS 630/1250 A 24 kV, CTKS 630A 24 kV, CTKSA do 24 kV produkcji Cellpack oraz K430TB 630/1200A 24kV, K300PB 630/1250A 24kV, K434TB 1250A 12 kV, K434TB 1250A 24 kV, 300PB-10SA produkcji Nexans jak i RSTI-5851, RSTI-5853, RSTI-5854, RSTI-CC-5851, RSTI-CC-5853, RSTI-CC-5854, RSTI-CC68SA1210, RSTI-CC-68SA1810, RSTI-CC-68SA2410 produkcji Raychem. Badania i certyfikacja były wykonywane w Instytucie Energetyki oddział Warszawa.

Przekładnik jest przewidziany do współpracy z urządzeniami pomiarowymi i zabezpieczeniowymi. Dzięki użyciu precyzyjnych rezystorów w układzie dzielnika rezystancyjnego, umożliwia dokładne pomiary w szerokim zakresie napięć oraz częstotliwości sieci.

Rys.1. Przekładniki UR5 i UR90 do pomiaru napięcia średniego o nominale 24 kV

Przekładnik może być przystosowany do pomiaru napięć o różnych nominałach, od 6 kV do 24 kV. Stopień podziału napięcia jest każdorazowo tak dobierany aby napięcie na wyjściu było równe 3,25 V dla napięcia wejściowego równego nominałowi. Wartość 3,25 V dyktuje norma PN-EN 61869-11 dotycząca przetworników do pomiarów średnich napięć. Liniowość przekładnika stwarza możliwość jego stosowania w całym praktycznie spotykanym zakresie napięć w sieciach średniego napięcia – od 6 kV do 24 kV. Wymagana jest do tego odpowiednia dynamika układu przetwarzania sygnału z przekładnika.

Przy dynamice układu pomiarowego równej 12 bitów, pojedynczym przekładnikiem można mierzyć napięcie do 24 kV z rozdzielczością lepszą niż 10 V, a przy dynamice 16-bitowej z rozdzielczością lepsza niż 2 V.

Konstrukcja

Przekładnik jest w istocie dzielnikiem rezystorowym, rys. 2, umieszczonym w izolatorze o odpowiednim kształcie i parametrach. W układzie zastępczym dzielnika pojemności C1 i C2 reprezentują pasożytnicze pojemności równoległe rezystorów R1 i R2. Przekładnik zawiera również układ iskiernika gazowego, chroniący przed pojawieniem się na wyjściu przekładnika napięcia większego niż 75 Vpp oraz układy kompensacji częstotliwościowej. Rozrzut rezystancji głównego rezystora wysokonapięciowego R1, który jest większy niż wymagana dokładność stopnia podziału dzielnika, wymaga dobierania wartości rezystora R2.

Rys. 2. Uproszczony schemat dzielnika rezystancyjnego

Kompensacja częstotliwościowa

Rezystory tworzące dzielnik, zwłaszcza rezystor wysokonapięciowy zatopiony w izolatorze, nie są elementami idealnymi. W zakresie częstotliwości w jakim pracuje przekładnik indukcyjności pasożytnicze rezystorów nie mają znaczenia, ma znaczenie natomiast pasożytnicza pojemność równoległa rezystora wysokonapięciowego. Żeby zobaczyć jaki jest wpływ pojemności C1 na stopień podziału dzielnika bez kompensacji częstotliwościowej, wyznaczono amplitudową charakterystykę częstotliwościową dzielnika, rys. 3. W obliczeniach przyjęto typowe wartości elementów dzielnika: R1  = 100 MΩ , R2 = 13,545 kΩ, C1 = 3,5 pF, C2 = 0,5 pF.

Rys. 3. Charakterystyka częstotliwościowa przekładnika bez kompensacji

Z wykresu widać, że błąd amplitudy dla kolejnych składowych harmonicznych jest bardzo duży – dla 10 harmonicznej osiąga 50% i nawet dla 50 Hz przekracza 0,5 % w stosunku do wartości dla DC.

Kompensacja częstotliwościowa polega na dołączeniu dodatkowej pojemności Ck równolegle do pojemności C2. Ck dobiera się tak aby była spełniona zależność

Zależność (1) pokazuje, że dla wyznaczenia Ck konieczna jest znajomość C1. C1 zależy od konstrukcji rezystora – kilka przykładowych rezystorów wysokonapięciowych zostało pokazanych na rys. 4 – a ponadto nie wszyscy producenci podają jej wartość. W praktyce trudno jest zmierzyć wartość pojemności C1 z dużą dokładnością – lepszą niż 10 % – za pomocą dedykowanego do tego celu miernika. Pojemność C1 wyznacza się na podstawie pomiaru charakterystyki częstotliwościowej dzielnika, korzystając z zależności

Rys. 4. Trzy różne typy rezystorów wysokonapięciowych

gdzie (U2/U1)|f  jest ilorazem napięć skutecznych dla częstotliwości sygnału f. Znając C1, R1, R2 i C2 (C2 jest rzędu 1 pF ) Ck wyznacza się następnie z zależności (1). W praktycznej konstrukcji R2 składa się z szeregu połączonych równolegle oraz szeregowo rezystorów aby uzyskać wyznaczoną wartość z dokładnością do 1 Ω natomiast kondensator kompensujący Ck tworzy się z dwóch połączonych równolegle kondensatorów.

Dobór pojemności Ck nie jest bardzo krytyczny. Na rysunku 5 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe dzielnika o parametrach elementów R1  = 100 MΩ , R2 = 13,545 kΩ, C1 = 3,5 pF, C2 = 0,5 pF dla kilku wartości pojemności Ck wokół nominalnej wartości pojemności Ck.

Rys. 5. Rodzina charakterystyk częstotliwościowych przekładnika dla kilku wartości pojemności kompensującej Ck

Na pojemność Ck składa się również pojemność kabla przyłączeniowego. Oznacza to, że warunek (1) można spełnić jedynie w przypadku gdy przekładnik pracuje z kablem określonego typu i o określonej długości. Pojemność kabla przyłączeniowego dla częstotliwości poniżej 2 kHz rośnie w przybliżeniu liniowo z jego długością ze współczynnikiem 0,24 nF/m. Zamiana kabla przyłączeniowego z 5 metrowego na 10 metrowy zwiększa pojemność gałęzi dolnej dzielnika o ok. 1,2 nF, czyli ok. 5%. Z wykresu na rysunku 5 można odczytać, że taka zmiana nie pogarsza jeszcze w sposób istotny amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej przekładnika.

Kompensacja wpływu temperatury na stopień podziału dzielnika

Ponieważ przekładnik rezystancyjny ma pracować w szerokim zakresie temperatur, istotne staje się oszacowanie wpływu temperatury na dokładność stopnia podziału. Znaczenie ma współczynnik temperaturowy rezystora wysokonapięciowego, gdyż rezystory w dolnej gałęzi dzielnika są dostępne w wersji kompensowanej temperaturowo. Według materiałów producenta współczynnik zmian rezystancji rezystora wysokonapięciowego w funkcji temperatury przebiega w sposób pokazany na rysunku 7.

Rys. 7. Charakterystyka temperaturowa zmian rezystancji (mat. firmy Nicrom)

Po przeliczenia wpływu zmian temperatury na stopień podziału dzielnika przekłanika oraz po uwzględnieniu deklarowanej wartości współczynnika dla użytego rezystora, opracowana została i pokazana na rysunku 8 charakterystyka błędu przekładnika w funkcji temperatury.

Rys. 8. Wykres błędu przekładnika w funkcji temperatury

Pomiar izolacji

Norma PN-EN 61869-11 narzuca konieczność wykonania badań związanych z izolacją, udarami i wytrzymałością cieplną przekładnika oraz próby związane z wyładowaniami niezupełnymi.

Zrealizowano następujące pomiary parametrów izolacyjnych przekładnika:

  • Próba napięciowa 50 kV/ 1 min.
  • Udar napięciem stałym 125 kV 1.2µs
  • Próba 1,9 Un przez 8 godzin

Wszystkie próby zakończyły się sukcesem.

Pomiar wyładowań niezupełnych

Badanie, przeprowadzone za pomocą wyspecjalizowanej komory badawczej  wykazało wyładowania niezupełne o wartości  8 pC. Wynik badania został pokazany na rysunku 9. Badanie wyładowań niezupełnychpokazało, że zalany w izolatorze dzielnik rezystancyjny mieści się w zakresie dopuszczalnych wyładowań niezupełnych (<50 pC) określonych przez normę PN-EN 61869-11.

Rys. 9. Wynik badania na wyładowania niezupełne

Podsumowanie

Przekładnik napięciowy małej mocy charakteryzuje się szeregiem zalet w porównaniu z tradycyjnymi transformatorowymi przekładnikami napięciowymi. Jest mniejszy, lżejszy, posiada lepsze właściwości metrologiczne takie jak dynamika pomiaru, liniowość i szerokość pasma pomiarowego. Może być z powodzeniem używany do aplikacji w głowicach konektorowych zgodnych z normą PN-EN 50180 i PN-UN 50181, interfejs C, 630A lub do głowic asymetrycznych np. firmy NKT CB-24, CC-24 lub Raychem/TE Connectivity RSTI-CC58xx i RSTI 58xx. Przekładnik spełnia wymagania odpowiednich norm, zwłaszcza w zakresie izolacji, wytrzymałości napięciowej i wyładowań niezupełnych. Dokładność pomiaru w zakresie częstotliwości podstawowej oraz wyższych harmonicznych daleko przekracza dokładności uzyskiwane za pomocą klasycznych, dużo większych i droższych przekładników. Niskie napięcie wyjściowe umożliwia połączenie go wprost do elektronicznych cyfrowych układów przetwarzających. Ponadto przekładniki rezystancyjne mogą być używane do pomiaru napięć o szerokiej wartości nominałów oraz do pomiaru napięć DC.

Literatura:

  • PN-EN 50180-1 Izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 3,15 kA do transformatorów napełnionych cieczą izolacyjną  Część 1: Ogólne wymagania dla izolatorów przepustowych
  • PN-EN 50180-2 Izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 3,15 kA do transformatorów napełnionych cieczą izolacyjną  Część 2: Wymagania dla części składowych izolatorów przepustowych
  • PN-EN 50180-3 Izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 3,15 kA do transformatorów napełnionych cieczą izolacyjną  Część 3: Wymagania dotyczące mocowania izolatorów przepustowych
  • PN-EN 50181 Wtykowe izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 2,5 kA do urządzeń innych niż transformatory napełnione cieczą
  • PN-EN 60044-7 Przekładniki  Część 7: Przekładniki napięciowe elektroniczne
  • IEC 61869-6 Instrument transformers – Part 6: Additional generał requirements for low-power instrument transformers
  • IEC 61869-11 draft Instrument transformers – Part 11: Additional requirements for low power passive voltage transformers

Grzegorz Kowalski, Adam Kalinowski, Aleksander Lisowiec
Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ – Instytut Tele- i Radiotechniczny

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top