СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2017 года по МПК G01R31/02 G01R35/02 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для испытания трансформатора. В частности, настоящее изобретение относится к способу и устройству для испытания точности трансформаторов напряжения, при этом стоить отметить, что настоящее изобретение не ограничивается этой предпочтительной областью применения.

Трансформаторы напряжения, характеризующиеся индуктивным и емкостным принципами работы, являются высоковольтным оборудованием и входят в состав любой системы энергоснабжения. Индуктивный принцип работы по существу является принципом работы однофазного трансформатора; емкостной принцип работы подразумевает совместное использование емкостного делителя напряжения, дроссельной катушки и однофазного трансформатора. Емкостные трансформаторы напряжения используют, например, в высоковольтных и сверхвысоковольтных системах, которые характеризуются очень высокими значениями напряжения, находящимися в диапазоне нескольких сотен кВ, при этом емкостный делитель напряжения, входящий в состав трансформатора напряжения, служит в качестве понижающего трансформатора для преобразования высокого напряжения в среднее напряжение, находящееся в диапазоне нескольких кВ, и питания указанного трансформатора этим напряжением.

Трансформаторы напряжения служат, с одной стороны, для преобразования рабочих напряжений в пропорциональные напряжения, которые могут быть обработаны с использованием информационных технологий, и, с другой стороны, их используют в целях гальванической развязки высокого напряжения и второстепенного оборудования.

Преобразованное напряжение трансформаторов также используют для выставления счетов или обеспечения защиты. В зависимости от области применения (выставление счетов или обеспечение защиты) трансформаторы должны соответствовать специальному классу точности. Классы точности определены для индуктивных трансформаторов напряжения в стандарте DIN EN 60044-2 и для емкостных трансформаторов в стандарте DIN EN 60044-5, при этом в настоящее время эти стандарты заменены группой стандартов DIN EN 61869.

Согласно этим стандартам трансформаторы напряжения разделены на различные классы точности в соответствии с предполагаемым применением. В соответствии с определенным классом фазовые углы и амплитудные погрешности трансформации не должны превышать нормированного значения. В частности, трансформаторы разделены на классы, которые основаны на максимально допустимом процентном отклонении (ошибки измерения напряжения), присущем трансформаторам, при расчетном напряжении и расчетной нагрузке (примеры классов: 0.1-0.2-0.5-1.0-3.0). В случае трансформаторов, предназначенных для измерения, указанные классы должны соблюдаться при рабочей частоте (50 или 60 Гц), расчетной нагрузке (например, в диапазоне от 25 до 100%) с отстающим коэффициентом мощности, например, в диапазоне от 0,8 до 1,0, и значениях напряжения, например, от 80 до 120% расчетного напряжения. В случае трансформаторов, предназначенных для обеспечения защиты, классы должны соблюдаться при рабочей частоте, расчетных нагрузках (от 25 до 100%) с отстающим коэффициентом мощности 0,8 и значениях напряжения от 5 до 190% (в соответствии с коэффициентом замыкания на «землю») расчетного напряжения. Упомянутые выше классы и граничные значения могут изменяться в зависимости от страны, и значения, отличающиеся от приведенных выше значений, также могут быть затребованы потребителями.

Исходя из классов точности можно утверждать, что трансформаторы напряжения должны быть высокоточными измерительными приборами, которым присуща высокая точность как в отношении коэффициента передачи напряжения, так и в отношении угла сдвига фазы. Погрешности приборов могут привести к высоким затратам из-за ошибок в измерении переданной энергии или могут ставить под угрозу безопасность эксплуатации.

Для того чтобы провести испытание точности трансформаторов, согласно современной практике их, в случае необходимости, демонтируют, заменяют сменными трансформаторами и перевозят в лабораторию высоких напряжений для проведения испытаний на точность. Указанные комплексные меры приводят к высоким расходам, продолжительным простоям и высоким издержкам касательно испытаний и установки. Для того чтобы компенсировать указанные расходы и издержки, были разработаны технологии проведения испытаний, которые позволяют проводить испытание на месте эксплуатации при номинальном напряжении и, следовательно, позволяют минимизировать издержки касательно установки и транспортировки.

Однако в настоящее время не существует способа испытания точности трансформаторов на месте их эксплуатации без использования приблизительно номинального напряжения указанных трансформаторов в качестве испытательного напряжения. Нелинейность характеристик оборудования не позволяет проводить испытания непосредственно на низких напряжениях.

Способы, известные на данный момент в области испытания трансформаторов, не могут быть полностью перенесены на трансформаторы напряжения, так как параметры трансформатора не могут быть легко определены по причине паразитных влияний и его внутренней конструкции. Дополнительно, известные способы не учитывают нелинейный частотнозависимый характер изменения распределения потерь, присущего трансформаторам напряжения.

Соответственно, цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа и соответственно сконфигурированного устройства, при помощи которого можно испытывать точность трансформаторов на месте их эксплуатации с низкими издержками, при этом настоящее изобретение, в частности, подходит для испытания трансформаторов напряжения.

Указанная цель достигается согласно настоящему изобретению при помощи способа, которому присущи признаки, раскрытые в п. 1 формулы изобретения, и устройства, которому присущи признаки, раскрытые в п. 21 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения раскрыты предпочтительные и преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения.

Настоящее изобретение предусматривает осуществление имитации испытываемого трансформатора при помощи эквивалентной цепи и автоматическое определение связанной с эквивалентной цепью точности трансформатора путем оценки ответа на испытательный сигнал, выдаваемого трансформатором в результате получения испытательного сигнала. Затем связанную с эквивалентной цепью точность автоматически или при помощи вычислительного устройства преобразуют в связанную с рабочим состоянием точность трансформатора.

Настоящее изобретение в целом обеспечивает независимое испытание точности трансформаторов, при этом рабочее состояние трансформатора может быть аппроксимировано с высокой точностью и воспроизводимостью при помощи его характеристики передачи при низких испытательных напряжениях.

Настоящее изобретение может быть реализовано в виде переносного испытательного устройства, так что трансформатор может быть испытан на месте его эксплуатации. Настоящее изобретение подходит, в частности, для испытания индуктивных или емкостных трансформаторов напряжения, при этом в целом настоящее изобретение может быть использовано для испытания точности трансформаторов.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения модель измерений и расчетов используют для получения, исходя из результатов измерения при низких измерительных напряжениях с различными частотами, информации о характеристиках в рабочем состоянии. В качестве основания для этого используют эквивалентную цепь, сконфигурированную для этого рабочего состояния, при этом элементы указанной цепи могут быть определены для различных вариантов. Если известны все параметры эквивалентной цепи, то можно на основании указанной эквивалентной цепи рассчитать динамические характеристики трансформатора и его точность через абсолютную величину и фазу при различных рабочих состояниях на основе векторной диаграммы напряжения трансформатора.

Согласно дополнительному варианту осуществления настоящее изобретение позволяет определить все необходимые параметры трансформатора, коэффициент трансформации и частотнозависимые линейные или нелинейные потери в сердечнике трансформатора с использованием низких значений напряжения, прикладываемых со стороны низкого напряжения трансформатора при изменяемой частоте, и соответствующей модели интерпретации и расчета потерь.

Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретение используют эквивалентную цепь трансформатора, в которой комплексную и распределенную внутреннюю емкость первичной обмотки учитывают в качестве сосредоточенного элемента, также используют новый способ определения внутренней емкости первичной обмотки и основанный на нем способ определения коэффициента трансформации при холостом ходе.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения учитывают коррекцию обмотки, которая могла быть выполнена в процессе производства трансформатора для соответствия классу точности.

Согласно дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения индивидуально или в сочетании могут быть реализованы следующие признаки:

- В случае емкостных трансформаторов напряжения может быть проведено дополнительное испытание точности емкостного делителя напряжения, входящего в состав трансформатора напряжения.

- Возможно использование имитационной модели частотнозависимых и потокозависимых потерь в сердечнике трансформатора, которая упрощает стандартные эмпирические-аналические модели потерь, устраняя зависимость от плотности потока, до P_tot=C⋅f^x⋅Ψ^y, где С, f^x и Ψ^y описывают компоненты, зависящие от трансформатора, а также от частоты f и потока Ψ. Для того чтобы обеспечить это упрощение, измерения осуществляют с различными частотами в каждом случае для одного и того же потока. Наконец, при помощи основанного на модели способа могут быть определены динамический коэффициент С, показатель степени х для частоты f и показатель степени у для потока Ψ. Измерения, подходящие для использования в имитационной модели, предпочтительно выполняют при низких значениях напряжения, составляющих менее 10 В, и переменной частоте от 0 до 50 Гц. В варианте осуществления изобретения, для определения связанной с эквивалентной цепью точности трансформатора напряжения применяют испытательный сигнал, характеризующийся напряжением не более 10 В и/или частотой не более 10 Гц.

- Сосредоточенная внутренняя емкость первичной обмотки эквивалентной цепи может быть определена на основе эталонных измерений с использованием точно известной эталонной емкости. Для этого низкоуровневый сигнал с переменной частотой посылают в трансформатор напряжения со стороны вторичной обмотки, чтобы найти первый параллельный резонанс. Затем при помощи добавленной эталонной емкости эту резонансную частоту намерено рассогласовывают для того, чтобы определить, исходя из знания эталонной емкости и заново настроенного резонанса, внутреннюю емкость первичной обмотки. Этот способ выполняют только в случае индуктивных трансформаторов напряжения, так как внутренняя емкость в случае индуктивных трансформаторов напряжения, используемых в емкостных трансформаторах напряжения, является весьма незначительной для частотного диапазона около 50 Гц.

- Значения сопротивления обмотки эквивалентной цепи могут быть определены при помощи сигналов напряжения постоянного тока.

- Сумма индуктивностей рассеяния эквивалентной цепи может быть определена на основе вычисленной внутренней емкости первичной обмотки или на основе измеренного реактивного сопротивления короткого замыкания. В случае трансформаторов с одной обмоткой можно предположить, что индуктивности рассеяния распределяются в соответствии с эмпирически определенными значениями. В случае трансформаторов с множеством обмоток индуктивности рассеяния, относящиеся к рассматриваемой стороне, могут быть определены на основе взаимных измерений индивидуальных обмоток.

В целом, настоящее изобретение обеспечивает полную информацию о точности трансформатора без выполнения ручных манипуляций и знаний о применяемых материалах, и на основании группы стандартов DIN EN 60044 или действующих в настоящий момент стандартов DIN EN 61869 позволяет учитывать переменную нагрузку с различными коэффициентами мощности и различными рабочими напряжениями.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые фигуры и на примере предпочтительных вариантов осуществления.

На фиг. 1 представлена структура трансформатора в виде емкостного трансформатора напряжения и соответствующей эквивалентной цепи.

На фиг. 2 представлена упрощенная структурная схема испытательного устройства, предназначенного для испытания трансформатора, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 представлен пример соединения и подключения испытательного устройства к емкостному трансформатору напряжения, изображенному на фиг. 1, для проведения испытания указанного трансформатора, в частности, для проведения испытания общего коэффициента трансформации, присущего трансформатору напряжения.

На фиг. 4 представлен пример соединения испытательного устройства с трансформатором напряжения, изображенным на фиг. 1, для испытания коэффициента трансформации, присущего индуктивной трансформирующей напряжение секции, входящей в состав указанного трансформатора, и для испытания емкостного делителя напряжения, входящего в состав указанного трансформатора.

На фиг. 5 представлена блок-схема, предназначенная для пояснения выполнения способа испытания точности трансформаторов, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 6 представлена блок-схема для определения основной индуктивности и сопротивления потерь эквивалентной цепи, изображенной на фиг. 1, при помощи модели ферромагнитных потерь в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 7 представлена блок-схема для определения основной индуктивности и сопротивления потерь эквивалентной цепи, изображенной на фиг. 1, при помощи модели ферромагнитных потерь согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Далее настоящее изобретение будет описано в отношении емкостного трансформатора напряжения. Однако настоящее изобретение не ограничивается лишь этим вариантом применения и может быть также использовано в индуктивных трансформаторах напряжения, а также в любых трансформаторах.

На фиг. 1 представлена структура емкостного трансформатора 20 напряжения, при этом трансформатор 20 напряжения содержит соединительную секцию 21, в состав которой входят емкости связи C1 и С2, которые образуют емкостный делитель напряжения, и дроссельная катушка L, адаптированная к емкостям C1 и С2, а также (индуктивную) трансформирующую секцию 22, в состав которой входит однофазный трансформатор. Контакты трансформатора 20 напряжения со стороны первичной обмотки обозначены позициями А или NHF, а контакты на стороне вторичной обмотки обозначены позициями 1а и 1n. Для ясности на фиг. 1 представлен трансформатор напряжения только с одной вторичной обмоткой.

В контексте настоящего изобретения трансформатор напряжения имитируют при помощи эквивалентной цепи, при этом эквивалентная цепь может относиться либо к стороне основной обмотки, либо к стороне вторичной обмотки преобразователя напряжения.

Такая эквивалентная цепь 30 также показана в качестве примера на фиг. 1, при этом секция 31 эквивалентной цепи соответствует соединительной секции 21 трансформатора 20 напряжения, а секция 32 эквивалентной цепи соответствует преобразующей секции 22 трансформатора 20 напряжения.

На фиг. 2 представлена структурная схема испытательного устройства 10 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, при помощи которого, на основе указанной эквивалентной цепи, испытывают точность трансформатора напряжения при помощи автоматических операций и для этого путем применения суммы испытательных сигналов и осуществления различных измерений, что будет более подробно описано ниже, определяют индивидуальные компоненты или параметры эквивалентной цепи и после этого, исходя из них, вначале определяют точность трансформатора напряжения относительно эквивалентной цепи, а затем преобразовывают связанную с эквивалентной цепью точность в связанную с рабочим состоянием точность.

Испытательное устройство 10, схематически представленное на фиг. 2, содержит источник 11 сигнала, предназначенный для генерирования испытательного или измерительного сигнала с определенной амплитудой и частотой, а также управляемый усилитель 12, при помощи которого испытательный сигнал, усиленный в зависимости от необходимости, испускают в испытываемый объект. Испытательное устройство может характеризоваться наличием отдельных выводов для низковольтного испытания и высоковольтного испытания. Управление источником 11 сигнала и управляемым усилителем 12 осуществляют при помощи блока 14 управления, который может быть реализован в виде микроконтроллера или процессора цифровых сигналов. Ответ на испытательный сигнал, который впоследствии возникает в испытуемом объекте или тестируемом объекте, обнаруживают при помощи измерительного устройства или устройства 13 обнаружения и направляют в блок 14 управления, который оценивает ответ на испытательный сигнал и, исходя из него, инициирует дальнейшие действия.

Блок 14 управления является главным компонентом испытательного устройства 10 и отвечает за практически полное автоматическое выполнение способа испытания, описанного ниже со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления. Как изображено на фиг. 2, испытательное устройство 10 характеризуется наличием запоминающего устройства 15 для хранения операционных программ или управляющих программ для блока 14 управления или хранения результатов испытания и т.п. При помощи секции 16 ввода/вывода в испытательное устройство 10 могут быть направлены команды или данные управления, также указанная секция может использоваться для выдачи результатов испытания или управляющей информация для других устройств. Секция ввода/вывода может содержать, например, клавиатуру, дисплей и различные типы интерфейсов (слоты USB, D-Sub 9, карты флэш-памяти и т.п.). Испытательное устройство может аналогично содержать соединение, уравнивающее потенциалы.

Испытательное устройство 10 предпочтительно выполнено в виде компактного портативного устройства, так что при помощи указанного устройства трансформатор может быть испытан на месте его эксплуатации простым способом. Для того чтобы осуществить конкретные измерения, испытательное устройство 10 может быть присоединено к вольтодобавочному устройству, которое усиливает испытательное напряжение, подаваемое испытательным устройством, до желаемого высокого значения напряжения и прикладывает его к испытываемому объекту, что будет более подробно объяснено ниже.

Блок 14 управления испытательного устройства 10 сконфигурирован таким образом, что при помощи множества измерений, которые осуществляются автоматически, он определяет индивидуальные компоненты эквивалентной цепи, изображенной в качестве примера на фиг. 1, и на основании известной эквивалентной цепи определяет связанную с эквивалентной цепью точность трансформатора напряжения. Соединение испытательного устройства 10 с трансформатором 20 напряжения может быть выполнено в соответствии с четырехпроводным методом измерения, при этом напряжение, прикладываемое непосредственно к испытываемому объекту, измеряют отдельных проводов для того, чтобы избежать результатов измерения, подверженных влиянию кабелей или переходных сопротивлений на клеммах.

Связанную с эквивалентной цепью точность затем преобразуют посредством блока 14 управления в связанную с рабочим состоянием точность для того, чтобы обеспечить возможность оценки трансформатора напряжения как в отношении точности амплитуды, так и в отношении точности фазы.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, для того чтобы определить компоненты эквивалентной цепи, выполняют следующие измерения, которые более подробно будут рассмотрены ниже, в частности: измерения полного сопротивления короткого замыкания первичной и вторичной обмоток, измерение сопротивления вторичных обмоток трансформатора напряжения, измерение характеристики намагничивания трансформатора напряжения, измерение коэффициента трансформации, присущего трансформатору напряжения.

Сопротивление по постоянному току обмотки определяют для каждой вторичной обмотки трансформатора 20 напряжения, в результате чего информация о сопротивлении R2 соответствующей вторичной обмотки эквивалентной цепи 30 известна из ответа на испытательный сигнал, выдаваемого трансформатором 20 напряжения (см. фиг. 1). Указанное измерение предпочтительно осуществляют последовательно от высшей обмотки до низшей обмотки, чтобы снизить издержки в отношении проводки. Преобразованное сопротивление R1" первичной обмотки эквивалентной цепи 30 может быть вычислено из потерь на рассеяние, которые аналогично измеряют, а также из значений сопротивления по постоянному току вторичной обмотки.

Измерения полного сопротивления короткого замыкания могут быть осуществлены при помощи испытательного устройства 10 как со стороны первичной обмотки, так и со стороны вторичной обмотки.

В случае измерения полного сопротивления короткого замыкания со стороны первичной обмотки, входные клеммы А и NHF трансформатора 20 напряжения замыкают накоротко и соединяют с нулевым потенциалом, при этом испытательный сигнал направляют в трансформатор напряжения для того, чтобы последовательно определить ответ на испытательный сигнал в каждой вторичной обмотке и, исходя из ответа на испытательный сигнал трансформатора 20 напряжения, иметь возможность определить потери на рассеяние, которые были упомянуты выше. Если присутствуют несколько вторичных обмоток, то это измерение проводят отдельно для каждой вторичной обмотки.

Измерение полного сопротивления короткого замыкания со стороны вторичной обмотки осуществляют только для одной вторичной обмотки, а именно, например, замыкают накоротко только вторую вторичную обмотку 2а-2n трансформатора 20 напряжения, а затем измеряют полное сопротивление короткого замыкания на первой вторичной обмотке 1a-1n (если трансформатор напряжения характеризуется наличием только одной вторичной обмотки, то измерение полного сопротивления короткого замыкания со стороны вторичной обмотки не требуется).

В общем, это позволяет определить преобразованную индуктивность X1" рассеивания первичной обмотки и индуктивность Х2 рассеивания вторичной обмотки по отдельности для каждой вторичной обмотки для эквивалентной цепи, изображенной на фиг. 1.

Измерение характеристики намагничивания трансформатора напряжения должно быть осуществлено по существу только для одной вторичной обмотки, например, для самой внутренней вторичной обмотки 1a-1n, так как железный сердечник трансформатор напряжения является одним для всех вторичных обмоток и потери на рассеяние этой вторичной обмотки известны, чтобы иметь возможность соответственно вычислить значение ЭДС. При этом может быть выполнено множество таких измерений.

Измерение коэффициента трансформации, присущего трансформатору 20 напряжения, выполняют при помощи испытательного устройства 10 для того, чтобы определить фактическое отношение витков в обмотках трансформатора 20 напряжения и, тем самым, в частности, принять во внимание коррекцию обмотки, выполненную в процессе изготовления.

В принципе трансформатор напряжения рассчитывается производителем в процессе разработки перед тем, как трансформатор напряжения поступит в производство. Этот расчет осуществляют на основе «постоянных» исходных значений используемых материалов, при этом в большинстве случаев также учитывают допуски в процессе производства. В конечном счете, на точность готового продукта влияют как допуски используемых материалов, так и допуски процесса производства. Таким образом, во время процесса производства, после наматывания витков обмотки и перед изоляцией, обычно осуществляют контрольное измерение для того, чтобы определить, соответствует ли трансформатор напряжения нормальному рабочему диапазону. Если имеют место отклонения, то трансформатор напряжения «регулируют» путем изменения количества витков обмотки для того, чтобы он соответствовал желаемому диапазону. Благодаря этой коррекции обмотки чистый коэффициент трансформации обмотки трансформатора напряжения больше не согласуется с номинальным коэффициентом трансформации напряжения.

Как рассмотрено выше, испытательное устройство 10 в целом обнаруживает потери испытываемого трансформатора 20 напряжения, чтобы определить или рассчитать его «точность». Эти потери должны соответственно также включать коррекцию обмотки, осуществленную в процессе производства трансформатора 20 напряжения, чтобы можно было определить абсолютную точность трансформатора 20 напряжения. В связи с этим, испытательное устройство 10 сконфигурировано для осуществления измерения коэффициента трансформации, присущего трансформатору 20 напряжения, причем для осуществления указанного измерения испытательное напряжение прикладывают к стороне первичной обмотки испытываемого трансформатора 20 напряжения.

Следует отметить, что при измерении коэффициента трансформации важно то, чтобы это измерение выполняли с использованием напряжения, которое является не слишком низким по сравнению с номинальным напряжением первичной обмотки испытываемого объекта. Значения напряжения приблизительно от 3 до 80% номинального напряжения являются подходящими.

Поскольку испытательное устройство 10 функционирует при низких значениях напряжения, эффективная величина которого предпочтительно составляет не более 10 В или 40 В, для осуществления других описанных выше измерений, и источник 11 напряжения испытательного устройства 10 соответственно сконфигурирован для низких значений напряжения, применение соответствующего усиливающего приспособления в виде вольтодобавочного устройства необходимо для осуществления измерения коэффициента трансформации. Такое усиливающее приспособление может также быть встроено в испытательное устройство 10, хотя это приведет к увеличению массы и размера испытательного устройства. Применение отдельного усиливающего приспособления также может быть предпочтительным из соображений безопасности в связи с возникающими высокими напряжениями. Если необходимы различные варианты напряжения, то работа с различными компонентами может быть предпочтительной.

Пример соединения испытательного устройства 10 с вольтодобавочным устройством 40 и трансформатором 20 напряжения, изображенным на фиг. 1, представлен на фиг. 3.

Выводы для испытательного сигнала, входящие в состав испытательного устройства 10, соединены со стороной основной обмотки трансформатора 41 вольтодобавочного устройства 40, при этом измерительные вводы для ответа на испытательный сигнал первичной и вторичной обмоток, входящие в состав испытательного устройства 10, соединены через делитель 42 напряжения со стороной вторичной обмотки трансформатора 41 и стороной первичной обмотки трансформатора 20 напряжения или со стороной вторичной обмотки трансформатора 20 напряжения. Испытательное устройство соединяют с трансформатором напряжения в соответствии с четырехпроводным методом измерения, при этом напряжение, прикладываемое непосредственно к испытываемому объекту, измеряют при помощи отдельных проводов для того, чтобы избежать результатов измерения, подверженных влиянию кабелей или переходных сопротивлений на клеммах.

Посредством конфигурации, изображенной на фиг. 3, может быть измерен общий коэффициент трансформации, присущий трансформатору 20 напряжения. Клеммы NHF и N трансформатора 20 напряжения соединены «землей». Высокое испытательное напряжение, подаваемое вольтодобавочным устройством 40, прикладывают между клеммами А и NHF и, следовательно, между А и «землей». Низковольтный измерительный ввод испытательного устройства 10 соединен с вторичной обмоткой 1a-1n трансформатора 20 напряжения.

Даже если имеются несколько вторичных обмоток, измерение общего коэффициента трансформации трансформатор напряжения 20 с использованием конфигурации, изображенной на фиг. 3, предпочтительно осуществляют только один раз для первой вторичной обмотки 1a-1n. Дополнительно, измерение общего коэффициента трансформации осуществляют только для емкостных трансформаторов напряжения, причем это испытание можно не проводить в случае индуктивных трансформаторов напряжения. В результате этого измерения общий коэффициент трансформации определяют в виде отношения значения напряжения на клеммах А и NHF к значению напряжению на вторичной обмотке 1a-1n трансформатора 20 напряжения.

Посредством незначительной модификации испытательной конфигурации, изображенной на фиг. 4, может быть определен коэффициент трансформации индуктивной трансформирующей напряжение секции, входящей в состав трансформатора 20 напряжения. В частности, задача этого измерения состоит в обеспечении возможности проведения различия между емкостным коэффициентом трансформации и индуктивным коэффициент трансформации.

Для осуществления этого клемму NHF соединяют с высоковольтной клеммой А трансформатора 20 напряжения, как изображено на фиг. 4, при этом испытательное напряжение прикладывают между этими двумя клеммами и «землей». В других отношениях соединение является аналогичным испытательной конфигурации, изображенной на фиг. 3. Напряжение, прикладываемое к стороне первичной обмотки трансформатора напряжения, предпочтительно отрегулировано так, чтобы напряжение на вторичной обмотке 1a-1n соответствовало напряжению, измеренному при помощи измерительной конфигурации, изображенной на фиг. 3. В результате этого измерения коэффициент трансформации индуктивного трансформатора напряжения, т.е. без емкостного делителя C1, С2 напряжения, определяют в виде отношения напряжения на стороне первичной обмотки индуктивного трансформатора напряжения к напряжению на клеммах вторичной обмотки 1a-1n.

Это измерение также предпочтительно осуществляют только один раз для первой вторичной обмотки 1a-1n. Если это измерение осуществляют для индуктивного трансформатора напряжения, то результат измерения будет соответствовать непосредственно коэффициенту трансформации индуктивного трансформатора напряжения в режиме холостого хода.

Наконец, также возможно рассчитать из результатов измерений, полученных согласно фиг. 3 и фиг. 4, коэффициент трансформации емкостного делителя C1, С2 напряжения, входящего в состав трансформатора 20 напряжения, разделив значение напряжения между клеммами А и NHF трансформатора 20 напряжения, полученное в ходе измерения согласно фиг. 3, на значение напряжения на стороне первичной обмотки трансформатора с короткозамкнутыми клеммами A-NHF, полученное в ходе измерения согласно фиг. 4.

Описанные выше измерения осуществляют при помощи испытательного устройства 10 для того, чтобы, исходя из полученной таким образом информации, иметь возможность определить точность испытываемого трансформатора 20 напряжения.

На фиг. 5 представлена в виде блок-схемы возможная последовательность стадий способа, предназначенного для определения класса точности индуктивных трансформаторов напряжения, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, при этом осуществление указанного способа происходит автоматически при помощи блока 14 управления. Вопросы, которые дополнительно должны быть учтены при применении этого способа к емкостным трансформаторам напряжения, будут отдельно рассмотрены ниже.

Основой этого способа является описанная выше эквивалентная цепь (ЭЦ) трансформатора, которая может быть связана со стороной вторичной обмотки испытываемого трансформатора напряжения (стадия 100). Таким образом, измерение со стороны вторичной обмотки обеспечивает прямое соответствие с эквивалентной цепью. Сосредоточенная емкость, встроенная в эквивалентную цепь, представляет внутреннюю емкость, которая должна быть учтена для значений частот до 50 Гц или 60 Гц, которые в этом случае являются релевантными (в некоторых типах трансформаторов внутренняя емкость является незначительной). Дополнительным свойством этого способа является тот факт, что поперечный элемент, который состоит из основной индуктивности X_m и сопротивления потерь R_c, может изначально быть принят в качестве известного.

С целью определения элементов эквивалентной цепи осуществляют описанные выше испытание без нагрузки и испытание на короткое замыкание (стадия 101), и собранную в ходе этих испытаний информацию используют (стадия 102) в эквивалентной цепи.

При помощи развертки по частоте с присоединенной эталонной емкостью (стадия 103) может быть определено значение внутренней емкости Ср (стадия 104) первичной обмотки. Стадии 103 и 104, предназначенные для определения внутренней емкости Ср первичной обмотки, предпочтительно осуществляют только тогда, когда значение внутренней емкости первичной обмотки является относительно высоким и его влияние должно быть принято во внимание.

Если полученные значения являются неправдоподобными (стадия 105), то осуществляют повторное выполнение измерений и соответственно стадий 101-105.

Однако если значения являются правдоподобными, то характеристики намагничивания трансформатора напряжения могут быть измерены со стороны вторичной обмотки. С этой целью, для каждого возможного рабочего состояния рабочего цикла измеряют (стадия 106) силу электрического тока i(t) и напряжение u(t) с использованием метода, обладающего большой разрешающей способностью по времени, при этом предпочтительно используют только напряжения до 10 В. Путем изменения частоты при одинаковой амплитуде поток может быть скорректирован в соответствии со спецификациями.

После того как были измерены характеристики намагничивания, учитывают влияние рассчитанной внутренней емкости первичной обмотки (стадия 107). Емкостной ток вычитают из тока на клеммах, в результате чего только составляющую тока, отвечающую за намагничивание сердечника, i₀(t), и напряжение, прикладываемое к сердечнику, u_core(t), берут для дальнейшего рассмотрения.

Поскольку частоты, которые не равны рабочей частоте, используют для измерений, при этом сердечник трансформатора демонстрирует строго частотно-зависимый характер изменения, измеренные значения u(t) и i(t) преобразовывают в значения, которые связаны с рабочим состоянием. Для этого используют (стадия 108) полную модель интерпретации ферромагнитных потерь и расчета потерь, которая будет отдельно описана ниже со ссылками на фиг. 6. При помощи модели интерпретации потерь будет выполнено конечное преобразование значений силы эклектического тока и напряжения в элементы цепи. Для этого повторно используют смоделированные значения кривой намагничивания (кривой вольтамперной характеристики) при рабочей частоте, а также данные о значениях углов при различных значениях напряжения. После чего, для любой желаемой нагрузки и рабочего напряжения можно будет вычислить связанное отклонение напряжения и фазовый сдвиг или фазовую погрешность трансформатор на основе векторной диаграммы напряжения.

Для того чтобы рассчитать фактическую точность при рабочих состояниях из этой «связанной с эквивалентной цепью точности» трансформатора напряжения, коэффициент трансформации при холостом ходе трансформатора напряжения должен быть измерен очень точно, как описано в настоящем документе. Это в целом отличается от номинальной трансформации, так как зависимое от нагрузки падение напряжения на полном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора напряжения, а также любая регулировка обмотки, выполненная во время изготовления трансформатора, должны быть учтены. Учет регулировки обмотки в настоящем документе именуют «коррекцией обмотки». Коррекция обмотки может быть выполнена с использованием двух различных вариантов, которые зависят от физической конструкции трансформатора напряжения (стадия 109). С одной стороны, высокое напряжение может быть приложено, как описано в настоящем документе, к стороне первичной обмотки трансформатора напряжения (стадия 111). Измерение, проводимое спустя некоторое время со стороны вторичной обмотки, позволит измерить коррекцию обмотки для определенного напряжения. Второе универсальное решение для учета указанной коррекции обмотки обеспечивается путем резонансного измерения, выполняемого на стороне вторичной обмотки, в сочетании с рассчитанными ранее значениями внутренней емкости и индуктивности рассеяния (стадия 110). Значения напряжения, представленные на фиг. 5, приведены лишь в качестве примеров.

Отклонение в измерении, рассчитанное вначале без знания фактического коэффициента трансформации, присущего трансформатору напряжения (стадия 112), может быть скорректировано путем учета коррекции обмотки (стадия 113), в результате чего будут получены кривые ошибок (стадия 114) для отклонения в измерении касательно абсолютной величины и фазы, связанных с рабочим состоянием.

Далее будет описан способ определения основной индуктивности и сопротивления потерь эквивалентной цепи с использованием упомянутой выше модели ферромагнитных потерь (см. стадию 108, изображенную на фиг. 5) в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Характер изменения потерь в трансформаторах напряжения в значительной степени зависит от частоты и поляризации из-за используемых материалов сердечника. В соответствии с модуляцией пластин сердечника этот характер изменения является более и менее нелинейным. В соответствии с коэффициентом индукции и амплитудой индукции устанавливают зависящую от напряженности поля конфигурацию доменной структуры и, следовательно, зависящую от напряженности поля поляризацию или плотность потока, с которой связано нелинейное распределение потерь в виде нагрева джоулевой теплотой. Таким образом, если используют измерительный сигнал, характеризующийся частотой, которая отличается от рабочей частоты, рекомендуется компенсировать частотнозависимое распределение потерь посредством модели.

Для этого может быть использована имитационная модель частотнозависимых и потокозависимых потерь в сердечнике трансформатора, которая упрощает стандартные эмпирические-аналические модели потерь, устраняя зависимость от плотности потока, до P_tot=C⋅f^x⋅Ψ^y, где С, f^x и Ψ^y описывают компоненты, зависящие от трансформатора, а также от частоты f и потока Ψ. Для того чтобы обеспечить это упрощение, измерения осуществляют с различными частотами в каждом случае для одного и того же потока. Наконец, при помощи основанного на модели способа могут быть определены динамический коэффициент С, показатель степени х для частоты f и показатель степени у для потока Ψ. Измерения, пригодные для использования в имитационной модели, предпочтительно выполняют при низких напряжениях, составляющих менее 10 В, и переменной частоте от 0 до 50 Гц.

На фиг. 6 представлена блок-схема для определения основной индуктивности и сопротивления потерь эквивалентной цепь, изображенной на фиг. 1, с использованием указанной модели ферромагнитных потерь или имитационной модели в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

В начале способа (стадия 200) значения электрического тока i₀(t), которые уже откорректированы на значение емкостного тока, текущего через емкость первичной обмотки, и связанные значения напряжения u_core(t) вводят в модель потерь (стадия 201). Затем осуществляют измерения мощности с низкой частотой при значениях плотности потока, стандартных для работы (стадия 202). Низкая частота измерения связана с требованием о небольших значениях амплитуды напряжения.

Потери P_tot, которые возникают в случае измерения мощности, отделяют при помощи подхода, предусматривающего разделение потерь на статические потери P_stat и динамические потери P_dyn. Статические потери P_stat повышают линейность с частотой (стадия 203). Статическое сопротивление потерь R_stat для модели электрической цепи может быть вычислено непосредственно из статического компонента (стадия 204).

Затем осуществляют интерпретирование динамической характеристики распределения потерь в зависимости от частоты (стадия 206). В соответствии с типом трансформатора она может быть постоянной, линейной или нелинейной по частоте. Для одного из двух первых случаев может быть непосредственно рассчитано динамическое сопротивление потерь R_dyn. Поскольку в нелинейном случае для распределения потерь справедлив следующий подход: P_dyn=C_dyn⋅f^x, в этом случае коэффициент C_dyn и показатель степени х степенной функции должны быть определены первыми при помощи специального способа (стадия 208). Следовательно, динамическое сопротивление потерь R_dyn может также быть преобразовано в элемент электрической цепи в случае нелинейного рассеивания по физическим причинам (стадии 209 и 210). Полные измерения распределения потерь в лаборатории формируют базу для этого подхода.

Изменение основной индуктивности по времени (кривая гистерезиса) может быть определено из разницы между общим намагничивающим током и активными токами на основе вычисленных сопротивлений R_dyn и R_stat (стадия 211).

Наконец, характеристическую кривую намагничивающего тока/напряжения, а также информацию, касающуюся фазового угла полного сопротивления при различных напряжениях сердечника, преобразовывают при помощи модели в соответствующую информацию при рабочей частоте или при рабочем состоянии (стадия 212) и направляют в качестве данных для дальнейшей обработки посредством способа, изображенного на фиг. 5.

На фиг. 7 представлена блок-схема способа, альтернативного способам, представленным на фиг. 5 и 6, в котором используют модель ферромагнитных потерь или имитационную модель согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения, при этом согласно этому варианту осуществления отсутствует определение внутренней емкости Ср первичной обмотки. На фиг. 7 стадии, которые соответствуют стадиям, изображенным на фиг. 5 и 6, имеют соответствующие им номера позиций, при этом в связи с этим может быть сделана отсылка на приведенное выше описание этих стадий.

Способ, изображенный на фиг. 7, отличается от способов, изображенных на фиг. 5 и 6, по существу тем, что отсутствуют стадии, относящиеся к определению и учету внутренней емкости Ср первичной обмотки, и модель ферромагнитных потерь 108 характеризуется альтернативной конфигурацией или составом.

После стадии 206 потери P_tot, возникающие в случае измерений мощности, опять отделяют при помощи подход, предусматривающий разделение потерь на статистические потери P_stat и статистические потери P_dyn, чтобы определить элементы эквивалентной цепи на основании этого. На стадии 211 взаимную индукцию вычисляют из i₀(t), U_core(t) и динамического сопротивления R_dyn (также именуемого R_eddy).

Как изображено на фиг. 7, измерение трансформации на стадии 111 предпочтительно осуществляют при помощи значений напряжения, находящихся в диапазоне от 3% до 80% номинального напряжения испытываемого объекта.

Модели интерпретации потерь, описанные выше со ссылками на фиг. 6 и 7, приведены лишь в качестве примеров, при этом могут быть использованы и другие модели. Поскольку измерения, описанные в связи с фиг. 5, предпочтительно выполнены с использованием значений напряжения и частоты, которые значительно ниже соответствующих номинальных значений напряжения и частоты испытываемого трансформатора напряжения, используемая модель в основном служит для преобразования измеренных данных, которые отклоняются от номинальных значений, в данные, которые связаны с номинальными значениями. С одной стороны, должна быть определена кривая намагничивания трансформатора напряжения, в соответствии с которой осуществляют насыщение сердечника трансформатора напряжения со стороны второстепенной обмотки путем прикладывания подходящего напряжения ниже номинальной частоты. С другой стороны, должны быть определены частотнозависимые потери трансформатора напряжения таким образом, чтобы они могли быть преобразованы в номинальные значения с использованием корректирующих коэффициентов. Способ измерения и преобразования релевантных параметров зависит от модели, которую используют в конкретном случае.

Некоторые типы трансформаторов характеризуются наличием присоединенного демпфирующего блока. Этот демпфирующий блок также может быть учтен при определении точности трансформатора для того, чтобы улучшить достоверность результатов испытания точности трансформатора.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для испытания трансформатора напряжения (20). Предлагаемый способ предусматривает стадии, на которых: имитируют трансформатор напряжения (20) при помощи эквивалентной цепи (30); определяют точность трансформатора напряжения (20) относительно эквивалентной цепи (30) путем оценки ответа на испытательный сигнал, выдаваемого трансформатором (20); и автоматически преобразуют указанную точность в связанную с рабочим состоянием точность трансформатора (20). При этом при определении точности определения связанного с эквивалентной цепью (30) отклонения напряжения и/или связанного с эквивалентной цепью (30) фазового смещения трансформатора напряжения (20) осуществляют для различных нагрузок, рабочих напряжений и/или рабочих частот трансформатора напряжения (20), и затем осуществляют их преобразование в соответствующее отклонение напряжения или соответствующее фазовое смещение для соответствующих рабочих состояний трансформатора напряжения (20). 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ испытания трансформатора напряжения (20), предусматривающий стадии:

a) имитации трансформатора напряжения (20) при помощи эквивалентной цепи (30),

b) посылки испытательного сигнала в трансформатор напряжения (20),

c) обнаружения ответа на испытательный сигнал, выдаваемого трансформатором напряжения (20) в зависимости от испытательного сигнала и автоматического определения компонентов эквивалентной цепи (30), осуществляемого в зависимости от ответа на испытательный сигнал трансформатора напряжения (20),

d) автоматического определения связанной с эквивалентной цепью (30) точности трансформатора напряжения (20) на основании ответа на испытательный сигнал и на основании эквивалентной цепи (30), в которой известны конкретные значения компонентов, и

e) автоматического определения связанной с рабочим состоянием точности трансформатора напряжения (20) из связанной с эквивалентной цепью (30) точности,

при этом на стадии d) определение связанного с эквивалентной цепью (30) отклонения напряжения и/или связанного с эквивалентной цепью (30) фазового смещения трансформатора напряжения (20) осуществляют для различных нагрузок, рабочих напряжений и/или рабочих частот трансформатора напряжения (20), и на стадии е) осуществляют их преобразование в соответствующее отклонение напряжения или соответствующее фазовое смещение для соответствующих рабочих состояний трансформатора напряжения (20).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии е) преобразования связанной с эквивалентной цепью (30) точности трансформатора напряжения (20) в связанную с рабочим состоянием точность трансформатора напряжения (20) осуществляют при помощи имитационной модели трансформатора напряжения (20), при этом имитационная модель учитывает частотнозависимые и потокозависмые потери в сердечнике трансформатора напряжения (20).

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для определения связанной с эквивалентной цепью (30) точности трансформатора напряжения (20) применяют испытательный сигнал, характеризующийся напряжением не более 10 В и/или частотой не более 10 Гц.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для определения связанной с эквивалентной цепью (30) точности трансформатора напряжения (20) используют испытательный сигнал, который характеризуется напряжением менее номинального напряжения трансформатора напряжения (20) и частотой менее номинальной частоты трансформатора напряжения (20).

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на стадиях b)-d) определения сопротивления первичной обмотки и сопротивления вторичной обмотки эквивалентной цепи (30) осуществляют при помощи измерения сопротивления в трансформаторе напряжения (20).

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что измерение сопротивления осуществляют в каждой вторичной обмотке трансформатора напряжения (20) для того, чтобы определить соответствующее сопротивление вторичной обмотки для каждой вторичной обмотки, при этом преобразованное сопротивление первичной обмотки эквивалентной цепи (30) определяют автоматически из определенных значений сопротивления вторичной обмотки и измеренных потерь на рассеяние трансформатора напряжения (20).

7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на стадиях b)-d) определения потерь на рассеяние трансформатора напряжения (20) осуществляют автоматически при помощи измерения полного сопротивления короткого замыкания.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что для определения потерь на рассеяние трансформатора напряжения (20) сторону первичную обмотку замыкают накоротко и испытательный сигнал последовательно прикладывают к каждой вторичной обмотке трансформатора напряжения (20).

9. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на стадиях b)-d) определения значений индуктивности рассеяния эквивалентной цепи (30) трансформатора напряжения (20) осуществляют автоматически посредством измерений полного сопротивления короткого замыкания на стороне первичной обмотки и стороне вторичной обмотки.

10. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на стадиях b)-d) измерение характеристики намагничивания трансформатора напряжения (20) осуществляют путем посылки испытательных сигналов с различными значениями напряжения и частоты.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадиях b)-d) осуществляют определение коэффициента трансформации, присущего трансформатору напряжения (20).

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что для определения коэффициента трансформации осуществляют посылку испытательного сигнала, который характеризуются напряжением в диапазоне от 3 до 80% номинального напряжения трансформатора напряжения (20), в трансформатор напряжения (20) со стороны первичной обмотки.

13. Способ по п. 11 или 12, отличающийся тем, что осуществляют измерение общего коэффициента трансформации, присущего трансформатору напряжения (20), измерение коэффициента трансформации индуктивного трансформатора напряжения, входящего в состав трансформатора напряжения (20), и измерение коэффициента трансформации емкостного делителя напряжения, входящего в состав трансформатора напряжения (20).

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что при определении точности трансформатора напряжения (20) автоматически учитывают регулировку обмотки, выполненную при производстве трансформатора напряжения (20).

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что при определении коэффициента трансформации, присущего трансформатору напряжения (20), учитывают регулировку обмотки.

16. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ответ на испытательный сигнал обнаруживают с использованием четырехпроводного способа измерений.

17. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что способ осуществляют для трансформатора напряжения (20), выполненного в виде индуктивного трансформатора напряжения, или для трансформатора напряжения (20), выполненного в виде емкостного трансформатора напряжения.

18. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что способ осуществляют посредством переносного испытательного устройства (10) в месте установки трансформатора напряжения (20).

19. Устройство (10) для испытания трансформатора напряжения (20), содержащее:

источник (11) испытательного сигнала, предназначенный для генерирования испытательного сигнала, который предназначен для посылки в трансформатор напряжения (20),

устройство (13) обнаружения ответа на испытательный сигнал, предназначенное для обнаружения ответа на испытательный сигнал, выдаваемого трансформатором напряжения (20) в зависимости от испытательного сигнала, иустройство (14) оценки, сконфигурированное так, чтобы имитировать трансформатор напряжения при помощи эквивалентной цепи (30) и автоматически определять значения компонентов эквивалентной цепи (30), в зависимости от ответа на испытательный сигнал трансформатора напряжения (20), для автоматического определения точности трансформатора напряжения (20) из связанной с эквивалентной цепью (30) точности на основании испытательного сигнала и на основании эквивалентной цепи (30), в которой известны конкретные значения компонентов, и для преобразования связанной с эквивалентной цепью (30) точности в связанную с рабочим состоянием точность трансформатора напряжения (20), при этом устройство (14) оценки определяет связанное с эквивалентной цепью (30) отклонение напряжения и/или связанное с эквивалентной цепью (30) фазовое смещения трансформатора напряжения (20) для различных нагрузок, рабочих напряжений и/или рабочих частот трансформатора напряжения (20) и осуществляет их преобразование в соответствующее отклонение напряжения или соответствующее фазовое смещение для соответствующих рабочих состояний трансформатора напряжения (20).

20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что устройство (10) выполнено в виде переносного испытательного устройства для осуществления испытания трансформатора напряжения (20) на месте его эксплуатации.

21. Устройство по п. 19 или 20, отличающееся тем, что устройство сконфигурировано для осуществления способа по любому из пп. 1-18.