УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЕМКОСТЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2013 года по МПК G01R27/00 

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:

$$C=\frac{1}{\omega Z}=\frac{I}{\omega U}.(1)$$

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,

С₁₀ - емкость первой обмотки относительно корпуса,

С₂₀ - емкость второй обмотки относительно корпуса,

C₁₂ - 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

$$C_1=C_{12}+\frac{C_{10}{C}_{20}}{C_{10}+C_{20}},(2)$$

2) между точками 1 и 0

$$C_2=C_{10}+\frac{C_{12}{C}_{20}}{C_{12}+C_{20}},(3)$$

3) между точками 2 и 0

$$C_3=C_{20}+\frac{C_{12}{C}_{10}}{C_{12}+C_{10}}.(4)$$

Далее, используя полученные при измерении значения C₁, С₂ и С₃, решая уравнения (2)-(4), определяют искомые значения емкостей С₁₂ С₁₀ и С₂₀.

Цель изобретения - упрощение процесса измерения и определения емкостей за счет исключения при каждом измерении одного конденсатора. Поясним предлагаемый порядок измерения.

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 C₁₂ между обмотками исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:

$$C_1=C_{10}+C_{20}.(5)$$

При измерении по второй схеме, показанной на рис.1, в, потенциал на второй обмотке будет равен потенциалу на корпусе трансформатора и емкость С₂₀ между второй обмоткой и корпусом исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:

$$C_2=C_{10}+C_{12}.(6)$$

При измерении по третьей схеме, показанной на рис.1, г, потенциал на первой обмотке будет равен потенциалу на корпусе трансформатора и емкость C₁₀ между первой обмоткой и корпусом исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:

$$C_3=C_{20}+C_{12}.(7)$$

Итак, имеем три линейных уравнения с тремя неизвестными C₁₀, C₂₀ и C₁₂. Из уравнений (5)-(7) легко определяются неизвестные емкости:

$$C_{10}=\frac{C_1+C_2-{С}_3}{2},(8)$$

$$C_{20}=\frac{C_1+C_3-{С}_2}{2},(9)$$

$$C_{12}=\frac{C_2+C_3-{С}_1}{2}.(10)$$

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,

8 - емкость C₁₂ между первой и второй обмотками трансформатора,

9 - емкость C₁₀ первой обмотки трансформатора на корпус,

10 - емкость C₂₀ 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.

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 C₁=C₁₀+C₂₀. Результат первого измерения считывается с индикатора 14.

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 C₂=C₁₀+C₁₂. Результат второго измерения считывается с индикатора 14.

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 C₃=C₂₀+C₁₂. 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.

Изобретение относится к технике электрических измерений. Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора, 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. Кроме того, в него 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, 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. Технический результат заключается в упрощении процесса измерения и определения емкостей объекта. 2 ил.

Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора, 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, отличающееся тем, что в него 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.