устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения

Формула изобретения

Устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения, содержащее высоковольтный емкостной делитель напряжения, состоящий из измерительной и экранирующей цепей в виде последовательно соединенных конденсаторов с двумя выводами на общей оси и экранов к ним, переключатель для замыкания накоротко части конденсаторов, индуктивный делитель напряжения, подключенный к выходу поверяемого высоковольтного измерительного трансформатора напряжения, компаратор тока, состоящий из двух регулируемых плеч, одно из которых подключено к низковольтному выводу высоковольтного емкостного делителя напряжения, другое через дополнительный конденсатор к выходу индуктивного делителя напряжения, а средняя точка к заземленному выводу высоковольтного измерительного трансформатора напряжения, и источник высокого напряжения, к которому подключен высоковольтный емкостной делитель напряжения и поверяемый высоковольтный измерительный трансформатор напряжения, отличающийся тем, что высоковольтный емкостной делитель напряжения выполнен в виде измерительной цепи, которая состоит из последовательно соединенных через коаксиальные разъемы высоковольтных конденсаторов, каждый из которых снабжен двумя рабочими электродами в виде стаканов разной высоты, которые укреплены на корпусе каждого высоковольтного конденсатора и электрически соединены с выводами каждого конденсатора таким образом, что первый из них охватывает один из выводов и обкладку высоковольтного конденсатора, а другой второй из выводов высоковольтного конденсатора, и две пары экранных электродов в виде стаканов разной высоты, которые охватывают рабочие электроды высоковольтных конденсаторов и разделены один от другого и от рабочих электродов высоковольтных конденсаторов при помощи изоляторов, а концы рабочих и экранных электродов разделены кольцом из изоляционного материала, двух экранирующих эквипотенциальных цепей, первая из которых состоит из последовательно соединенных через коаксиальные разъемы конденсаторов, каждый из которых имеет два рабочих и два экранных электрода, которые выполнены аналогично рабочим и экранным электродам конденсаторов измерительной цепи, каждый конденсатор первой экранирующей цепи подключен к первым парам экранных электродов измерительной цепи таким образом, что потенциалы рабочих и экранных электродов одинаковы, вторая из последовательно соединенных конденсаторов, параллельно которым подсоединены подстроечные конденсаторы, каждый из конденсаторов второй экранирующей цепи подключен к вторым парам экранных электродов первой измерительной цепи и к экранным электродам первой экранирующей цепи таким образом, что потенциалы рабочих и экранных электродов одинаковы, и нулевого индикатора равновесия с большим входным сопротивлением, вход которого при метрологической аттестации устройства поочередно подключен к всем конденсаторам измерительной и второй экранирующей цепей, а корпус нулевого индикатора к соответствующим конденсаторам экранирующей цепи, а конденсаторы второй экранирующей цепи при помощи подстроечных конденсаторов подобраны с учетом влияния паразитной емкости относительно заземленного высоковольтного измерительного трансформатора напряжения таким образом, что нулевой индикатор имеет нулевые показания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения.

Известно устройство для поверки высоковольтных трансформаторов напряжения [1] основанное на сравнении тока, протекающего через образцовый высоковольтный резистор, и, тока протекающего через низковольтный резистор, который подключен через индуктивный делитель напряжения ко вторичной обмотке проверяемого трансформатора напряжения. Сравнительно низкая точность устройства обусловлена тем, что аттестация высоковольтного резистора производится при напряжении, которое отличается от рабочего.

Известно устройство для поверки высоковольтных трансформаторов напряжения [2] основанное на предварительном уравновешивании схемы, состоящей из компаратора тока с регулируемым отношением плеч, в одно плечо которого включен высоковольтный конденсатор постоянной емкости, а в другое низковольтный конденсатор с регулируемой емкостью, при этом питание схемы производится от вторичной обмотки поверяемого трансформатора. После этой операции схема переключается таким образом, что на высоковольтный конденсатор подается напряжение с первичной обмотки поверяемого трансформатора, схема снова уравновешивается путем изменения отношения плеч компаратора тока и определяется коэффициент трансформации поверяемого трансформатора. Недостаточная точность устройства обусловлена тем, что измерение емкости высоковольтного конденсатора производится при напряжении, которое отличается от рабочего напряжения, а также тем, что оценка его погрешности производится только на основе теоретического анализа составляющих погрешности. При этом экспериментальное определение погрешности устройства без образцовых средств измерений не представляется возможным.

Известно устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения [3] основанное на применении составных трансформаторных делителей напряжения, аттестованных способом автономной поверки, которая проводится путем последовательного сравнения напряжений отдельных секций делителя помощи компаратора, разделительного трансформатора и нулевого индикатора равновесия. Недостаточная точность устройства обусловлена тем, что оценка его погрешности производится только на основе теоретического анализа составляющих погрешности. При этом экспериментальное определение погрешности устройства не представляется возможным.

Известно устройство для измерения погрешности масштабного преобразователя (МП) высокого напряжения [4] содержащее испытуемый МП, образцовый МП, источник напряжения питания, вольтодобавочный регулируемый источник, вспомогательный МП, изменитель полярности и приборы сравнения. Недостатками устройства являются его недостаточная точность и необходимость применения образцовых средств измерения для его поверки.

Известно также устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения [5] содержащее высоковольтный емкостный делитель напряжения, состоящий из измерительной и экранирующих цепей в виде последовательно соединенных беспотерьных конденсаторов с весьма малой зависимостью емкости от приложенного напряжения и экранов к ним, переключатель для замыкания накоротко части конденсаторов делителя, индуктивный делитель напряжения, подключенный к выходу поверяемого трансформатора напряжения, компаратор тока, состоящий из двух регулируемых плеч, одно плечо которого подключено к низковольтному выводу емкостного делителя, а другое через низковольтный конденсатор к выходу индуктивности делителя напряжения, источник высокого переменного напряжения, к которому подключены высоковольтный емкостный делитель напряжения и поверяемый трансформатор напряжения.

Недостаточная точность известного устройства обусловлена наличием емкостных токов между конденсаторами делителя и землей и оценкой погрешности устройства на основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования составляющих погрешности устройства. При этом экспериментальное определение погрешности устройства не представляется возможным. Теоретическая оценка погрешности является всегда необходимой, но совершенно недостаточной для высоковольтных средств измерений.

Единственно правильной оценкой погрешности высоковольтных средств измерений является оценка на основе сопоставления результатов измерений одной и той же величины несколькими и принципиально независимыми один от другого способами.

Задачей изобретения является снижение стоимости и повышение точности устройства для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения путем его метрологической аттестации на месте эксплуатации двумя принципиально независимыми один от другого способами ступенчатого закорачивания части конденсаторов делителя и автономной поверки.

Для реализации поставленной задачи в предложенном устройстве емкостной делитель напряжения выполнен в виде измерительной цепи, которая состоит из последовательно соединенных через коаксиальные разъемы высоковольтных конденсаторов, каждый из которых снабжен двумя рабочими электродами в виде стаканов разной высоты, которые укреплены на корпусе конденсатора таким образом, что первый из них охватывает один из выводов и обкладки конденсатора, а другой вывод конденсатора и две пары экранных электродов в виде стаканов разной высоты, которые охватывают рабочие электроды конденсатора и разделены друг от друга и от рабочих электродов при помощи изоляторов, а концы рабочих и экранных электродов разделены кольцом из изоляционного материала, двух экранирующих эквипотенциальных цепей, первая из которых состоит из последовательно соединенных через коаксиальные разъемы конденсаторов, каждый из которых снабжен двумя рабочими и двумя экранными электродами, которые выполнены аналогично рабочим и экранным электродам измерительной цепи, каждый конденсатор первой экранирующей цепи подключен к первым парам экранных электродов измерительной цепи таким образом, чтобы потенциалы рабочих и экранных электродов были одинаковыми, вторая из последовательно соединенных конденсаторов, параллельно которым подсоединены подстроечные конденсаторы, каждый конденсатор второй экранирующей цепи подключен ко вторым парам экранным электродов измерительной цепи и к экранным электродам первой экранирующей цепи таким образом, чтобы потенциал рабочих и экранных электродов были одинаковыми, и нулевого индикатора равновесия, вход которого при метрологической аттестации устройства поочередно подключен ко всем конденсаторам измерительной и второй экранирующей цепей, а корпус индикатора к соответствующим конденсаторам первой экранирующей цепи, а конденсаторы второй экранирующей цепи при помощи подстроечных конденсаторов подобраны с учетом влияния паразитной емкости на землю таким образом, чтобы нулевой индикатор равновесия показывал нуль.

Повышение точности предложенного устройства обеспечивается тем, что построение емкостного делителя напряжения устройства основано на сочетании двух принципиально независимых один от другого способов ступенчатого закорачивания части конденсаторов делителя и автономной поверки.

Снижение стоимости устройства обеспечивается тем, что в нем могут быть применены серийно выпускаемые конденсаторы с малой зависимостью емкости от приложенного напряжения, но без высоких требований к стабильности емкости во времени.

При определении коэффициента деления емкостного делителя в процессе метрологической аттестации устройства способом автономной проверки, заключающегося в сравнении при рабочем напряжении емкостей делителя с емкостью выходного конденсатора делителя и вычислении по полученным результатам коэффициента деления емкостного делителя, все паразитные проводимости (утечки) равны нулю.

При соединении отдельных конденсаторов при помощи коаксиальных разъемов в делитель появляются паразитные проводимости и паразитные токи (токи утечки). Эти утечки, хоть и сведены к минимуму путем применения двух экранирующих эквипотенциальных цепей, однако, имеют место.

Определение коэффициента деления емкостного делителя в процессе метрологической аттестации предложенного устройства способом ступенчатого закорачивания части конденсаторов делителя при рабочем напряжении производится при наличии паразитых токов, обусловленных неполным согласованием измерительной и экранирующих цепей.

Разница коэффициента деления емкостного делителя, полученных двумя принципиально независимыми один от другого способами, свидетельствует о наличии погрешности устройства, обусловленной токами утечки. Получение близкой к нулю разницы коэффициентов деления делителя, полученных двумя принципиально независимыми один от другого способами, свидетельствует о полном согласовании измерительной и экранирующих цепей, что обеспечивает возможность повышения точности предложенного устройства.

На фиг. 1 изображено схематически устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения; на фиг. 2 схематически емкостной делитель напряжения; на фиг. 3 конструкция измерительного конденсатора.

Устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения содержит компаратор тока 1, который состоит из синфазных обмоток 2 и 3, квадратурных обмоток 4 и 5, индикаторной обмотки 6, служащей для подключения к ней нулевого индикатора 7, конденсатора 8 в цепи синфазной обмотки 3 и параллельно соединенного с ним переменного конденсатора 9, резисторов 10, 11, 12 в цепи квадратурных обмоток 4 и 5, переключателей 13 и 14 для измерения числа витков синфазных обмоток компаратора, переключателей 15, 16, 17 для изменения числа витков квадратурных обмоток компаратора; индуктивный многодекадный делитель напряжения 18; поверяемый трансформатор напряжения 19 с нагрузкой 20; емкостной высоковольтный измерительный делитель напряжения 21, который состоит из выходного плеча (конденсатора) 22, ступенчато закорачиваемой части конденсаторов делителя 23 и высоковольтного плеча делителя 24 (фиг. 1,2). При этом емкостной измерительный делитель напряжения 21 состоит из последовательно соединенных и номинально равных высоковольтных конденсаторов в изолированном цилиндрическом (или иной формы) корпусе 25 и двумя выводами 26 и 27 на общей оси. Конденсаторы 25 должны быть беспотерьными и с весьма малой зависимостью емкости от приложенного напряжения. Каждый из конденсаторов помещен в металлические электроды 28 и 29 в виде стаканов разной высоты, и электрически соединенные при помощи гаек 30 с выводами 26 и 27 конденсатора. Размеры электродов 28 и 29 подобраны таким образом, что электрод 28 охватывает вывод 25 и обкладки конденсатора, а электрод 29 охватывает вывод 26 конденсатора. Электроды 28 и 29 помещены в двойные экраны 31, 32 и 33, 34. Между электродами 28, экранами 31, 33 и электродами 29, экранами 32, 34 расположено кольцо из изоляционного материала. Потенциал электродов 28, 29 и экранов 31, 32 и 33, 34 каждого из конденсаторов измерительного емкостного делителя определяется потенциальными эквипотенциальных делителей напряжения 35 и 36 (фиг.2).

Двойные экраны укреплены на корпусе конденсатора при помощи втулок 37 из изоляционного материала и гаек 38. Соединение конденсаторов делится производится при помощи коаксиальных разъемов 39 и 40. Конденсаторы измерительного делителя 21 снабжены контактными гнездами 31 и присоединяются к экранирующим делителям при помощи разъемов 42 и 43. Эквипотенциальные делители 35 и 36 выполнены аналогично измерительному делителю 21. При этом защитный потенциал электродов 28 и 29 измерительного делителя определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя 35, а защитный потенциал экранов 31 и 32 определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя 36. Для определения равенства потенциалов на конденсаторах измерительного делителя 21 и эквипотенциальных делителей 35 и 36 предусмотрены контактные гнезда 44, 45.

Для коммутации элементов измерительного делителя напряжения предусмотрены переключатели 46, 47, 48. (Заметим, что указанные переключатели приведены на схеме для облегчения понимания работы устройства. В реальном устройстве переключение элементов схемы делителя производится при помощи соединительных кабелей).

Схема устройства для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения представляет собой параллельную цепь с векторным сравнением токов в ветвях. Одну ветвь образует измерительный делитель напряжения 21 и обмотка 2 компаратора тока 1. Вторая ветвь образована поверяемым измерительным трансформатором напряжения 19, индуктивным делителем напряжения 18, конденсаторами 8 и 9 и обмоткой 3 компаратора тока. Квадратурную цепь второй ветви составляют резисторы 10, 11, 12 и обмотки 4 и 5 компаратора тока.

Устройство работает следующим образом.

По амплитуде цепи уравновешивают при помощи индуктивного делителя 18 и изменением плечевого отношения обмоток 2 и 3 компаратора тока 1, по фазе - путем изменения числа витков обмоток 4 и 5 компаратора тока 1, осуществляемого при помощи переключателей 15, 16, 17.

При равенстве магнитного потока нулю в сердечнике компаратора тока 1, что отмечается по нулевому показанию нулевого индикатора 7, комплексный коэффициент трансформации (K) поверяемого трансформатора напряжения равен:



где

соответственно первичное и вторичное напряжение измерительного трансформатора напряжения 19;

коэффициент деления индуктивного делителя напряжения 18;

C₈ емкость в цепи обмотки 3 компаратора тока;

C₂₁ эквивалентная емкость измерительного емкостного делителя напряжения;

n₃ число витков и обмотки 3 компаратора тока;

n₂ число витков обмотки 2 компаратора тока;

d угол сдвига между первичным и вторичным направлениями трансформатора 19.

При уравновешивании схемы изменением числа витков индуктивного делителя и компаратора тока легко обеспечивается раздельный отсчет составляющих комплексного коэффициента трансформации поверяемого трансформатора 19.

Коэффициент трансформации (K) равен:



Угловая погрешность трансформатора определяется выражением



где

круговая частота;

C₈ емкость конденсатора 8;

R₁₀ сопротивление резистора 10;

n₅ число витков обмотки 5 компаратора тока;

n₃ число витков обмотки 3 компаратора тока.

Погрешность отношения емкостей C₈ и C₂₁ в выражении (2) исключается методом замыкания накоротко емкости 23 измерительного делителя (вариации отношений емкостей конденсаторов 22, 23, 24). Применение этого метода в схеме с векторным сложением токов в компараторе тока 1 возможно при равенстве потенциалов точек A и B схемы, которое обеспечивается в результате калибровки низковольтной части схемы, которая производится в следующей последовательности.

Переключатель 48 ставится в положение "а", переключатели 46, 47 в положение "б". На индуктивном делителе 18 выставляется коэффициент деления r = 1 Плечевое отношение компаратора тока 1 выставляется равным единице, при этом переключатели угловой погрешности 15, 16, 17 устанавливают в нулевое положение. Затем емкость конденсатора 9 регулируют таким образом, чтобы нулевой индикатор 7 показывал нуль. Затем производится следующие операции. Устанавливают переключатели 47 и 48 в положение "б", переключатель 46 в положение "а". Уравновешивают схему при помощи индуктивного делителя 18 и компаратора тока 1 и записывают показание ₁ индуктивного делителя 18.

При этом выполняется равенство:



Затем переключатель 48 переводят в положение "в". После уравновешивания схемы записывают коэффициент деления индуктивного делителя 18. После этого составляется новое равенство:



Далее переключатели 46 и 48 ставят в положение "б", а переключатель 47 - в положение "а". Коэффициент деления 18 регулируют до уравновешивания схемы, что соответствует новому равенству:



Решая совместно выражения (4,5,6), находим коэффициент трансформации K₁₉ по полученным значениям



Коэффициент деления E емкостного делителя напряжения, определенный при рабочем напряжении, равен:



Точное измерение коэффициента деления K₂₁ и коэффициента трансформации K₁₉ трансформатора по сравнениям (7) и (8) возможно при отсутствии утечек с конденсаторов делителя 21, что обеспечивается эквипотенциальными делителями 35 и 36. Эквипотенциальность защиты нарушается в результате утечек тока на землю конденсаторов эквипотенциального делителя 36. Наличие утечек тока на землю определяют следующим образом. Нулевой индикатор с большим входным сопротивлением (не показан) подключают к контрольным гнездам 41 и 45, а корпус нулевого индикатора к контрольному гнезду 44. При этом емкости делителя 36 подбирают таким образом, чтобы нулевой индикатор показывал минимальное значение.

Вторым методом, позволяющим определить коэффициент деления K₂₁ измерительного деления, является метод автономной поверки. Процедура измерения K₂₁ измерительного деления заключается в следующем. Переключатель 48 ставят в положение "а", переключатели 46 и 47 в положение "б". При помощи компаратора 1 и делителя 18 уравновешивают схему. При этом плечи компаратора 1 равны единицы. Показание делителя 18 равно единице. Затем производят измерение всех емкостей делителя 21 относительно емкости конденсатора 22.

Коэффициент деления K₂₁ емкостного делителя равен отношению суммы сопротивлений емкостей всех конденсаторов, входящих в делитель напряжения 21, к сопротивлению емкости выходного конденсатора 22 делителя.

Коэффициент деления K₂₁ емкостного делителя по показаниям индуктивного делителя ₁..._n определяется по формуле:



Совпадение результатов измерения коэффициента деления K₂₁ емкостного делителя двумя независимыми методами ступенчатого закорачивания части конденсаторов делителя и метода автономной поверки свидетельствует об отсутствии утечек с элементов схемы измерительного делителя.

Метод автономной поверки емкостного делителя напряжения является более точным (утечки с конденсаторов исключены) по сравнению с методом ступенчатого закорачивания части конденсаторов делителя. Поэтому метод автономной проверки обеспечивает независимую поверку делителя и всего устройства для поверки измерительных трансформаторов напряжения без применения образцовых средств измерений.

Таким образом, применение двух эквипотенциальных делителей напряжения в сочетании с измерительным делителем напряжения и нулевым индикатором равновесия обеспечивает возможность снижения до минимума паразитных утечек тока с конденсаторов, а совмещение двух независимых методов измерения коэффициента деления делителя метода ступенчатого закорачивания части конденсаторов делители и метода автономной поверки в одно устройство соединяет преимущества обоих методов и обеспечивает высокую точность проверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения.