Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji...
Transcript of Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji...
Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
Ćwiczenia laboratoryjne
Instrukcja do ćwiczenia
Autor: dr inż. Sergiusz Boron
Gliwice, czerwiec 2009
Badanie przekładnika prądowego
-2-
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową, właściwościami i podstawowymi
parametrami indukcyjnych przekładników prądowych stosowanych do zasilania obwodów
wtórnych i pomocniczych w rozdzielnicach oraz z metodami i warunkami ich badania.
W zakres ćwiczenia wchodzą wybrane próby i badania, które mogą być przydatne dla
użytkowników przekładników prądowych stosowanych w kopalnianych układach
elektroenergetycznych.
1. Uwagi wstępne
Przekładnik prądowy jest to przetwornik służący do zasilania przyrządów pomiarowych,
mierników, przekaźników i podobnych aparatów, w którym prąd wtórny, w normalnych
warunkach pracy, jest praktycznie proporcjonalny do prądu pierwotnego. przedmiotem
niniejszego ćwiczenia jest badanie przekładników prądowych indukcyjnych, czyli
transformatorów prądowych. Do zadań przekładników prądowych należy:
• przetwarzanie prądów pierwotnych, w tym również o znacznych wartościach, na
prądy wtórne o wartościach znormalizowanych, co umożliwia stosowanie
ujednoliconych przyrządów pomiarowych,
• galwaniczna separacja obwodów pomiarowych i automatyki elektroenergetycznej od
obwodów pierwotnych (głównych torów prądowych) układu elektroenergetycznego,
co pozwala na bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych, regulacyjnych
i zabezpieczeń, • dostarczanie określonych sygnałów układom automatyki elektroenergetycznej poprzez
sumowanie prądów wtórnych (w tym również pochodzących z różnych punktów
układu elektroenergetycznego) przekładników połączonych w odpowiednie układy.
Z uwagi na sposób wykonania uwzględniający przystosowanie do określonych warunków
środowiskowych wyróżnia się przekładniki :
• wnętrzowe,
• napowietrzne,
natomiast w zależności od rodzaju użytego materiału izolacyjnego przekładniki dzieli się na:
• suche (z izolacją porcelanową, papierową, kondensatorową, żywiczną lub z innego
tworzywa sztucznego),
• małoolejowe (z izolacją papierowo-olejową).
Z uwagi na sposób mocowania przekładników prądowych można je podzielić m.in. na:
• wsporcze, mocowane podstawą do konstrukcji nośnej,
• przepustowe, stosowane do połączenia obwodów oddzielonych ścianami,
• szynowe, przystosowane do nałożenia na szynę sztywną, będącą jednocześnie
jednozwojowym uzwojeniem pierwotnym.
Główne elementy przekładnika to uzwojenie pierwotne oraz jedno lub kilka uzwojeń wtórnych nawinięte na wspólnym rdzeniu. Uzwojenie wtórne przekładnika włącza się szeregowo w tor prądowy pierwotny, przy czym z uwagi na fakt, że impedancja przekładnika
jest kilka rzędów wielkości mniejsza od impedancji obwodu do którego przekładnik jest
włączony, parametry i stan obciążenia strony wtórnej przekładnika praktycznie nie wpływają na prąd w obwodzie pierwotnym. Jeżeli obwód magnetyczny przekładnika pracuje na
liniowej części charakterystyki magnesowania, prąd w uzwojeniu wtórnym I2 jest praktycznie
proporcjonalny do prądu w uzwojeniu pierwotnym I1, przy czym zachodzi zależność
2211 zIzI ≈ (1),
-3-
gdzie z1 i z2 oznaczają liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego.
Wśród najważniejszych parametrów przekładników prądowych należy wymienić:
znamionowy prąd pierwotny Inp, przy czym znormalizowanymi wartościami są 10 – 12,5 –
15 – 20 – 25 – 30 – 40 – 50 – 60 – 75 A i ich dziesiętne wielokrotności i części (wartości
zalecane są podkreślone),
znamionowy prąd wtórny Ins, przy czym znormalizowanymi wartościami są 1 A, 2 A i 5 A,
wartością zalecaną jest 5 A,
przekładnia znamionowa Kn, równa stosunkowi znamionowych prądów pierwotnego
i wtórnego:
ns
np
nI
IK = , np. Kn=100/5 A (2),
przekładnia rzeczywista – stosunek rzeczywistego prądu pierwotnego Ip do rzeczywistego
prądu wtórnego Is,
moc znamionowa – wartość mocy pozornej (wyrażona w woltoamperach), którą przekładnik
jest zdolny zasilać obwód wtórny przy znamionowym prądzie wtórnym i obciążeniu
znamionowym (przy którym określone są wymagania w zakresie dokładności przekładnika);
znormalizowanymi wartościami mocy znamionowej są 2,5 – 5 – 10 – 15 – 30 VA
(produkowane mogą być również przekładniki o większej mocy znamionowej, np. 45, 60 lub
90 VA),
znamionowy krótkotrwały prąd cieplny Ith, – wartość skuteczna prądu pierwotnego, który
przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać przez 1 s bez
uszkodzenia,
znamionowy prąd dynamiczny Idyn, – wartość szczytowa prądu pierwotnego, który
przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia
elektrycznego lub mechanicznego w wyniku działania sił elektromagnetycznych,
błąd prądowy (błąd przekładni) – błąd, który przekładnik wprowadza do pomiaru prądu,
wynikający z tego, że przekładnia rzeczywista nie jest równa przekładni znamionowej; błąd
wyrażony w procentach jest określony wzorem:
( )
p
psn
%I
100IIKI
⋅−=∆ (3),
błąd kątowy – kąt fazowy między wektorami prądów pierwotnego i wtórnego,
błąd całkowity – wartość skuteczna prądu w stanie ustalonym, będącego różnicą pomiędzy
chwilowymi wartościami rzeczywistego prądu wtórnego is pomnożonymi przez znamionową przekładnię przekładnika a chwilowymi wartościami prądu pierwotnego ip, przy oznaczeniu
kierunku przepływu prądów pierwotnego i wtórnego, zgodnymi z przyjętą zasadą oznaczania
zacisków; błąd całkowity jest wyrażany w procentach wartości skutecznej prądu pierwotnego,
zgodnie z zależnością:
∫ −=
T
0
2
psn
p
c dt)iiK(T
1
I
100ε (4),
gdzie: T – czas trwania jednego okresu.
Dla prądów sinusoidalnych błąd ten może być określony z wyrażenia:
-4-
100I
IIK
p
psn
c ⋅−⋅
= r
rr
ε (5),
gdzie sIr
oraz pIr
oznaczają wektorowe wartości prądów wtórnego i pierwotnego
przekładnika.
Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się następujące rodzaje przekładników
prądowych:
• przekładniki do pomiarów, które służą do zasilania przyrządów pomiarowych
(amperomierze, cewki prądowe watomierzy, liczników energii itp.),
• przekładniki do zabezpieczeń, które służą do zasilania przekaźników
zabezpieczeniowych.
Od przekładników do pomiarów wymaga się dużej dokładności transformacji
w normalnych warunkach pracy systemu elektroenergetycznego, natomiast nie mają znaczenia błędy transformacji w krótkotrwałych stanach zakłóceniowych (np. podczas
zwarć). Dokładny pomiar prądu zwarciowego, wielokrotnie przekraczającego prądy robocze
(a więc również zakresy pomiarowe przyrządów), mógłby spowodować zniszczenie
mierników. Z tego względu przekładniki te powinny posiadać liniową charakterystykę magnesowania w zakresie obciążeń roboczych, natomiast przy większych obciążeniach
powinno następować szybkie nasycanie rdzenia powodujące ograniczenie prądu po stronie
wtórnej przekładnika. Przekładniki do zabezpieczeń powinny się natomiast charakteryzować określoną dokładnością transformacji w zakresie prądów zakłóceniowych, wielokrotnie
przekraczających prąd znamionowy przekładnika. Z tego względu charakterystyka
magnesowania tych przekładników powinna być liniowa dla prądów wielokrotnie
przekraczających zakres obciążeń roboczych, jednocześnie wymagania odnośnie do
dokładności w zakresie prądów roboczych są mniejsze niż dla przekładników do pomiarów.
Opisane wyżej właściwości przekładników prądowych charakteryzowane są przez
następujące parametry:
• przekładniki do pomiarów:
o znamionowy prąd pierwotny bezpieczny przyrządu IPL – wartość skuteczna minimalnego prądu pierwotnego, przy którym błąd całkowity
przekładnika jest równy lub większy niż 10% przy obciążeniu znamionowym,
o współczynnik bezpieczeństwa przyrządu FS – stosunek znamionowego
prądu pierwotnego bezpiecznego do znamionowego prądu pierwotnego:
pnI
IPLFS = (6),
przy czym faktyczny współczynnik bezpieczeństwa zależy od obciążenia
przekładnika,
• przekładniki do zabezpieczeń:
o znamionowy graniczny prąd pierwotny Ipngr– wartość skuteczna prądu
pierwotnego, dla którego przekładnik spełnia wymagania w zakresie błędu
całkowitego (wymagania te wynikają z klasy przekładnika),
o współczynnik graniczny dokładności ngr– stosunek znamionowego prądu
granicznego pierwotnego do znamionowego prądu pierwotnego:
-5-
pn
pngr
grI
In = (7),
przy czym znormalizowanymi wartościami współczynnika ngr są 5 – 10 – 15 –
20 – 30.
Dla przekładników do pomiarów wartości współczynnika bezpieczeństwa FS mieszczą się z reguły w przedziale 3÷5, przy czym im niższa wartość tego współczynnika, tym lepsza
ochrona zasilanych z przekładnika przyrządów przed skutkami przetężeń. Znormalizowane klasy dokładności przekładników prądowych do pomiarów wynoszą 0,1
– 0,2 – 0,5 – 1 – 3 – 5. Liczby oznaczające klasę są jednocześnie granicznymi
dopuszczalnymi wartościami błędu prądowego przy prądzie znamionowym i obciążeniu
zawartym w granicach od 25% do 100% znamionowego.
Klasa dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń jest oznaczona przez
największy dopuszczalny błąd całkowity wyrażony w procentach przy znamionowym
granicznym prądzie pierwotnym, poprzedzający literę „P”. Znormalizowanymi klasami
dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń są 5P i 10P. Błąd prądowy przy
prądzie znamionowym pierwotnym nie powinien przekraczać ±1% dla przekładników klasy
5P i ±3% dla klasy 10P.
2. Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w przekładnik prądowy badany, dwa
przekładniki prądowe wzorcowe, transformator prądowy służący do zasilania obwodu
pomiarowego wraz z regulatorem indukcyjnym (dławikiem), opornik suwakowy do
ustawiania mocy obciążenia przekładnika oraz zestaw przyrządów pomiarowych.
3. Program ćwiczenia
W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić:
• oględziny badanego przekładnika prądowego,
• sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków,
• pomiar błędu prądowego przy przetężeniach,
• wyznaczenie znamionowego prądu pierwotnego bezpiecznego IPL oraz
współczynnika bezpieczeństwa FS badanego przekładnika,
• pomiar błędu kątowego przy przetężeniach,
• pomiar wartości i sprawdzenie przebiegu napięcia na rozwartych zaciskach strony
wtórnej przekładnika.
3.1. Oględziny
W ramach oględzin należy zwrócić uwagę na:
• sposób i czytelność oznaczenia zacisków przekładnika,
• dane zawarte na tabliczce znamionowej przekładnika, przy czym zgodnie z normą [1] wszystkie przekładniki powinny mieć m.in. następujące oznaczenia:
o nazwa wytwórcy lub inny znak, za pomocą którego przekładnik może być łatwo zidentyfikowany,
o numer seryjny lub oznaczenie typu (najlepiej obydwa oznakowania),
-6-
o znamionowe prądy pierwotny i wtórny w postaci: Kn=Ipn/Isn A (np.
Kn=100/5 A),
o częstotliwość znamionowa (np. 50 Hz),
o moc znamionowa i odpowiadająca jej klasa dokładności,
o najwyższe napięcie urządzenia,
o znamionowy poziom izolacji,
o znamionowy krótkotrwały prąd cieplny (Ith) i znamionowy prąd dynamiczny
(Idyn),
o klasa izolacji, jeżeli jest inna niż klasa A,
• obecność zacisku uziomowego,
• ewentualne widoczne uszkodzenia lub wady wykonania.
3.2. Sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków
Zgodnie z normą [1] zaciski przekładnika jednoprzekładniowego powinny odpowiadać oznaczeniom podanym na rys. 1a, jednak przekładniki starsze mogą posiadać oznaczenia K
(odpowiadające zaciskowi P1), L (P2), k (S1) i l (S2). Oznaczenia zacisków powinny być takie, aby w danej chwili zaciski oznaczone P1 i S1 miały tę samą biegunowość, tzn. gdy
chwilowy kierunek prądu w uzwojeniu pierwotnym jest od P1 do P2, w uzwojeniu wtórnym
chwilowy kierunek prądu powinien być od S1 do S2. Oznaczenia zacisków przekładników
z zaczepem w uzwojeniu wtórnym przedstawiono na rys. 1b, a przekładników z dwoma
uzwojeniami wtórnymi na rys. 1c.
a) b)
c)
Rys. 1. Oznaczenie zacisków przekładników:
a) jednoprzekładniowego,
b) z zaczepem w uzwojeniu wtórnym,
c) z dwoma uzwojeniami wtórnymi, każde na własnym
rdzeniu (podano dwa alternatywne sposoby oznaczania).
-7-
Sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków najczęściej wykonywane jest metodą prądu
przemiennego, dla której schemat połączeń przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Schemat układu do sprawdzania prawidłowości oznaczeń zacisków przekładnika
prądowego. PB – przekładnik badany, PW – przekładnik wzorcowy, DŁ – dławik regulacyjny,
TW – transformator wielkoprądowy.
Przekładnik wzorcowy PW powinien mieć taką samą przekładnię jak przekładnik badany. Za
pomocą dławika regulacyjnego należy tak ustawić wartość prądu, aby w obwodzie wtórnym
przekładnika PW prąd był w przybliżeniu równy prądowi znamionowemu. Jeżeli oznaczenia
zacisków są prawidłowe to wskazanie amperomierza A2, przez który płynie różnica prądów
wtórnych, będzie bliskie zeru, w przeciwnym razie będzie bliskie dwukrotnej wartości prądu
znamionowego wtórnego.
Podczas badań przekładników prądowych w miejscu ich zainstalowania, powyższa
metoda może być uciążliwa lub wręcz niemożliwa do zastosowania. W takich przypadkach
można zastosować inną metodę, której zasadę przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Schemat układu do uproszczonego sprawdzania prawidłowości oznaczeń zacisków
przekładnika prądowego.
Uzwojenie pierwotne łączy się poprzez łącznik ze źródłem napięcia stałego (np. zwykłą baterią). Do zacisków uzwojenia wtórnego przyłącza się woltomierz magnetoelektryczny tak,
że jeśli dodatni biegun baterii połączony jest z zaciskiem P1, to dodatni zacisk woltomierza
łączy się z zaciskiem S1 przekładnika. Jeśli po zwarciu styków łącznika wskazówka
woltomierza wychyli się w prawo, to oznaczenie zacisków jest poprawne.
-8-
3.3. Pomiar błędu prądowego i współczynnika bezpieczeństwa
Pomiar błędu prądowego oraz współczynnika bezpieczeństwa przeprowadza się przy użyciu
układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Schemat układu do pomiaru błędu prądowego i wyznaczania współczynnika
bezpieczeństwa przekładnika prądowego
W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiary błędów prądowych dla zakresu
prądów pierwotnych (1÷5)·IBpn przy czterech różnych wartościach mocy obciążenia: 0,5·Sn;
Sn; 1,5·Sn i 2·Sn (IBpn oznacza znamionowy prąd pierwotny przekładnika badanego). Żądaną wartość mocy obciążenia przekładnika So uzyskuje się poprzez zmianę rezystancji opornicy
R0 tak, aby przy znamionowej wartości prądu wtórnego (I1s = IBsn = 5 A) spełniona była
zależność:
sn22o IUS ⋅= (8),
gdzie U2 oznacza wartość napięcia na zaciskach strony wtórnej badanego przekładnika.
Wypadkowa impedancja obciążenia przekładnika badanego jest wypadkową impedancji
opornicy R0 oraz impedancji przekładnika wzorcowego PW1 z przyłączonym do niego
amperomierzem A1.
Przekładnia przekładnika wzorcowego PW2 powinna być tak dobrana, aby pracował on
w swoim zakresie znamionowym, natomiast przekładnia przekładnika wzorcowego PW1
powinna być tak dobrana, aby iloczyn przekładni tego przekładnika K1n i przekładnika
badanego KBn był równy przekładni przekładnika PW2 K2n:
n1Bnn2 KKK ⋅= (9).
Pomiar wartości współczynnika bezpieczeństwa FS wykonuje się dla podanych wyżej
wartości mocy obciążenia w ten sposób, że zwiększa się prąd pierwotny Ip do chwili, w której
prąd I1s’ wskazywany przez amperomierz A1 wynosi 90% prądu I2s pokazywanego przez
amperomierz A2 (błąd prądowy osiąga wówczas ujemną wartość 10%). Współczynnik
bezpieczeństwa FS oblicza się z równania
Bpn
n2s2
I
KIFS
⋅= (10).
-9-
Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 1.
Tabela 1
Ip I1s’ I2s I1s So ∆∆∆∆I%
Lp. [×IBpn] [A] [A] [A] [VA] [×Sn] [%]
FS
1 1
… …
5 5
0,5
1 1
… …
5 5
1,0
… … …
1 1
… …
5 5
2,0
3.4. Pomiar błędu całkowitego
Błąd całkowity jest wielkością istotną głównie w przypadkach, gdy przekładnik prądowy
stanowi element układu sumującego, złożonego z wielu przekładników o połączonych
uzwojeniach wtórnych. Układy takie są wykorzystywane głównie przy zasilaniu urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Pomiar błędu całkowitego można
przeprowadzić z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na
rys. 5.
Rys. 5. Schemat układu do pomiaru błędu całkowitego przekładnika prądowego
-10-
W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiary błędów prądowych dla zakresu prądów
pierwotnych (1÷5)·IBpn przy czterech różnych wartościach mocy obciążenia: 0,5·Sn; Sn; 1,5·Sn
i 2·Sn. Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 2.
Tabela 2
Ip I2s '
s1s2 II − So εεεεc Lp.
[×IBpn] [A] [A] [VA] [×Sn] [%]
1 1
… …
5 5
0,5
1 1
… …
5 5
1,0
… … …
1 1
… …
5 5
2,0
3.5. Badanie przekładnika przy rozwartym uzwojeniu wtórnym
Przy rozwarciu uzwojenia wtórnego cały prąd pierwotny jest prądem magnesującym, z tego
względu nawet przy niewielkiej wartości tego prądu (znacznie mniejszej od prądu
znamionowego), przekładnik ulega nasyceniu. Konsekwencją takiego stanu może być zwiększone nagrzewanie się rdzenia i przepięcia w uzwojeniu wtórnym. W ramach ćwiczenia
należy przeprowadzić pomiar wartości oraz obserwację przebiegu napięcia pojawiającego się na otwartych zaciskach strony wtórnej przekładnika przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego
różnymi wartościami prądu. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 6.
Rys. 6. Schemat układu do badania przekładnika przy rozwartym uzwojeniu wtórnym
Pomiar napięcia należy wykonać woltomierzem elektronicznym, natomiast przebieg napięcia
obserwuje się na ekranie oscyloskopu. Wartość prądu po stronie pierwotnej badanego
przekładnika należy zwiększać stopniowo od zera do wartości znamionowej, następnie prąd
-11-
należy płynnie zmniejszać w celu rozmagnesowania rdzenia. Wyniki pomiarów należy
zestawić zgodnie z tab. 3.
Tabela 3
⋅In 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Ip
[A]
Us [V]
4. Sprawozdanie z ćwiczenia
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
• opis celu i zakresu wykonanych badań,
• opis i dane znamionowe badanego przekładnika prądowego oraz przekładników
wzorcowych,
• schematy układów pomiarowych wykorzystanych podczas realizacji ćwiczenia,
• wyniki pomiarów zestawione w postaci tabelarycznej,
• wykresy zależności:
o ∆I% = f ( Ip ) dla So = const,
o ∆I% = f (So) dla Ip = const,
o FS = f (So),
o εc = f ( Ip ) dla So = const,
o εc = f (So) dla Ip = const,
o Us = f ( Ip ),
• odrysowany lub sfotografowany przebieg napięcia na rozwartych zaciskach strony
wtórnej przekładnika,
• wnioski wynikające z ćwiczenia i przeprowadzonych pomiarów.
5. Literatura
[1]. PN-EN 60044-1:2000 Przekładniki. Przekładniki prądowe.
[2]. A. Wiszniewski. Przekładniki w elektroenergetyce. WNT, Warszawa 1982.
[3]. A. Koszmider, J. Olak, Z. Piotrowski. Przekładniki prądowe. WNT, Warszawa 1985.