способ измерения сопротивления постоянному току обмоток электротехнического оборудования

Формула изобретения

Способ измерения сопротивления постоянному току обмоток электротехнического оборудования, заключающийся в том, что через последовательно соединенные обмотку и эталонный резистор пропускают постоянный стабилизированный ток, величину которого рассчитывают на основе предварительного измерения сопротивления обмотки, измеряют падения напряжения на обмотке и эталонном резисторе, и вычисляют их отношение, на основе которого получают искомое сопротивление обмотки, причем во время нарастания тока в обмотке до рассчитанного тока максимально увеличивают напряжение питания стабилизатора тока, а после установления тока равным рассчитанному уменьшают это напряжение, отличающийся тем, что к моменту равенства тока в обмотке рассчитанному току устанавливают скорость изменения тока во много раз меньшей скорости перед этим моментом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению активного сопротивления обмоток различного электротехнического оборудования, например: трансформаторов, дросселей, реакторов, электродвигателей, электрогенераторов, электромагнитов и др. Изобретение может быть использовано в энергетике при пусконаладочных, профилактических и ремонтных работах на электрооборудовании, а также на заводах-изготовителях такого оборудования.

В ГОСТ 3484.1-88 рекомендован способ измерения сопротивления постоянному току обмоток силовых трансформаторов, заключающийся в том, что через последовательно соединенные обмотку и амперметр пропускают постоянный ток от источника постоянного напряжения, и характеризующийся измерительным переходным процессом, при котором ток в обмотке и напряжение на ней изменяются одновременно по нелинейному закону, как изображено на фиг.1. Измерение тока и напряжения для вычисления сопротивления в обмотке возможно только после окончания времени установления t_уст их значений: t_уст 4,6· при установлении значений тока и напряжения с погрешностью =-1% и t_уст 9,2· при =-0,1%, где - постоянная времени трансформатора, равная: =L_обм/R_обм.

Из-за большого времени измерения по этому способу в большинстве современных приборов указанного назначения используется не источник напряжения, а источник тока - стабилизатор постоянного тока компенсационного типа.

Известен, например, «Измеритель сопротивления ПФИ-10Р» (изготовитель ООО «НПФ ИНФОХРОМ-99», г. Москва. Описание прибора на сайте www.infochrom.ru). В соответствии со структурной схемой прибора в нем использован способ, согласно которому через последовательно соединенные обмотку и эталонный резистор пропускают постоянный стабилизированный ток, ожидают вначале достижения силы тока в обмотке заданному току уставки t_уст, а затем установления напряжения на обмотке (аналого-цифровой преобразователь 1) и на эталонном резисторе (аналого-цифровой преобразователь 2), и вычисляют их отношение, на основе которого получают искомое сопротивление обмотки. Графики рассматриваемых процессов изображены на фиг.2.

Таким образом, замена источника напряжения на источник тока привела к разделению параллельных процессов установления напряжения и тока на два последовательных этапа: на первом этапе напряжение на обмотке максимально и почти не меняется, а так в обмотке увеличивается до тока уставки стабилизатора тока; на втором этапе напряжение уменьшается с максимального значения до падения на обмотке I_уст·R_обм , а ток установился почти равным току уставки, но продолжает устанавливаться окончательно.

В этом способе значительно сокращено время достижения током заданного тока I_уст за счет исключения его последней части с очень малой скоростью изменения силы тока, но добавился второй этап.

Следствием способа является разделение всего диапазона измерения сопротивлений на несколько поддиапазонов с десятикратным отношением сопротивлений на концах каждого поддиапазона и неизменной силой тока внутри поддиапазонов. Это приводит к следующим недостаткам:

- на полной шкале измеряемых сопротивлений имеется несколько участков по числу поддиапазонов с повышенной погрешностью измерений в начале каждого поддиапазона;

- десятикратное изменение отношения полезного сигнала к помехе на краях поддиапазонов при измерении сопротивлений трансформаторов на высоковольтной подстанции в условиях помех;

- десятикратное повышение рассеиваемой мощности на стабилизаторе тока в начале каждого поддиапазона, когда измеряемое сопротивление еще мало.

Еще одним недостатком способа является все еще большое время измерения, особенно на мощных силовых трансформаторах, достигающее десятков минут.

В качестве прототипа, наиболее близкого к заявленному, выбран способ, реализованный в изобретении «Устройство для измерения активного сопротивления обмоток электротехнического оборудования» (патент РФ № 2480774, кл. G01R 27/08, опубликован в Бюл. № 12, 2013 г.).

Способ заключается в том, что через последовательно соединенные обмотку и эталонный резистор пропускают постоянный стабилизированный ток, величину которого рассчитывают на основе предварительного измерения сопротивления обмотки, измеряют падение напряжения на обмотке и эталонным резисторе, и вычисляют их отношение, на основе которого получают искомое сопротивление обмотки. Кроме того, на первом этапе, пока ток в обмотке нарастает до рассчитанного тока, увеличивают напряжение питания стабилизатора тока для сокращения длительности этапа благодаря увеличивающейся при этом скорости изменения тока, а на втором этапе, когда ток в обмотке установился почти равным рассчитанному току, но продолжает окончательно устанавливаться, снижают его для уменьшения мощности рассеивания на регулирующем транзисторе стабилизатора тока. Графики изменения тока и напряжения в обмотке совпадают с аналогичными графиками, приведенными на фиг.2 для предыдущего изобретения.

Предварительное знание оценочного значения измеряемого сопротивления позволяет рассчитать и задать для каждого измеряемого сопротивления максимально возможную силу тока, ограничиваемую лишь мощностью стабилизатора тока. Это устраняет три перечисленных недостатка предыдущего способа. Но остается серьезный недостаток способа, использованного в прототипе, - большое время измерения.

Задачей изобретения является уменьшение длительности второго этапа, а также длительности первого этапа, но без увеличения при этом длительности второго этапа, и тем самым уменьшения длительности измерения вцелом.

Для определения причин, препятствующих уменьшению длительности измерения, необходимо рассмотреть работу компенсационного стабилизатора тока. Усилитель рассогласования стабилизатора тока усиливает разницу i=I_уст-i(t) между током уставки и изменяющимся током обмотки и управляет регулирующим транзистором стабилизатора.

На первом этапе эта разница велика и транзистор полностью открыт. Поэтому к обмотке приложено все напряжение от регулируемого стабилизатора напряжения, распределяющееся между сопротивлением и индуктивностью обмотки следующим образом: U_обм=E=i(t)·R _обм+L_обм·di/dt, где di/dt - производная или скорость изменения тока.

При i(t)=I_уст усилитель выставляет на управляющем входе транзистора такое напряжение, чтоб установился ток, равный I_уст. А так как ток перестает изменяться, то есть di/dt=0, то напряжение на обмотке должно стать равным: U_обм=I_уст ·R_обм.

Но из-за инерционности усилителя и транзистора, а также при недостаточно большом петлевом усилении стабилизатора тока сигнал управления запаздывает и фактически установленный ток будет несколько больше тока I_уст , поэтому на втором этапе он продолжает медленно изменяться до полного установления. Меняющийся ток индуцирует напряжение на обмотке, которое также медленно устанавливается. При уменьшении времени первого этапа путем увеличения скорости изменения тока, запаздывание сигнала управления становится еще больше и фактически заданный ток еще больше отличается от тока I_уст, что увеличивает длительность второго этапа.

Инерционность узлов стабилизатора тока можно уменьшить, используя более быстродействующие элементы, но здесь имеются не только технические ограничения, но и ограничения, связанные с необходимостью обеспечения устойчивости замкнутой системы автоматического регулирования с глубокой отрицательной обратной связью, которой и является компенсационный стабилизатор тока. Такая система будет устойчива и не будет самовозбуждаться, если фазовый сдвиг, обусловленный инерционностью усилителя, не достигает 180° на всех частотах в полосе пропускания стабилизатора тока, на которых коэффициент его петлевого усиления превышает единицу; то есть приходится ограничивать и коэффициент усиления и быстродействие стабилизатора тока. Поэтому техническим путем эта задача не решается.

Решение задачи достигается тем, что в способе измерения сопротивления постоянному току обмоток электротехнического оборудования, заключающимся в том, что через последовательно соединенные обмотку и эталонный резистор пропускают постоянный стабилизированный ток, величину которого рассчитывают на основе предварительного измерения сопротивления обмотки, измеряют падения напряжения на обмотке и эталонным резисторе и вычисляют их отношение, на основе которого получают искомое сопротивление обмотки, причем на время нарастания тока в обмотке до рассчитанной величины тока максимально увеличивают напряжение питания стабилизатора тока, а после установления тока равным рассчитанному, уменьшают это напряжение, дополнительно замедляют скорость изменения тока к моменту равенства тока в обмотке и рассчитанного тока в несколько раз по сравнению со скоростью изменения тока перед этим моментом.

Технический эффект достигается благодаря тому, что чем меньше скорость изменения тока в обмотке по сравнению со скоростью изменения управляющего сигнала на входе регулирующего транзистора стабилизатора тока, тем на меньшую величину изменится ток за время запаздывания этого сигнала. Значит будет более точное фактическое задание тока уставки I_уст. Поэтому быстрее будет заканчиваться окончательное установление тока и напряжения, и короче будет второй этап. А так как теперь скорость изменения тока в обмотке на момент сравнения с заданным током уставки уже не зависит от скорости его изменения на первом этапе, то можно повышать скорость изменения тока на первом этапе для уменьшения его длительности без какого-либо влияния на длительность второго этапа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшать длительность обоих этапов независимо друг от друга и уменьшить общее время измерения.

Новизной предлагаемого способа, отличающего его от способа-прототипа, является преднамеренное замедление скорости изменения тока в обмотке к моменту его равенства расчетному току уставки стабилизатора. Средством для этого в данном изобретении было выбрано регулирование напряжения питания стабилизатора тока.

На фиг.3 приведены графики установления тока и напряжения в процессе измерения сопротивления по предлагаемому способу.

На фиг.4 приведен экспериментальный график изменения погрешности измерения сопротивления обмотки относительно установившегося значения для способа-прототипа.

На фиг.5 приведен аналогичный график, но для предлагаемого способа.

Как следует из графиков, приведенных на фиг.3, промежуточный этап с малой скоростью изменения тока формируется с момента времени t₁, когда напряжение питания стабилизатора тока уменьшается от максимального значения E₁ на первом этапе до необходимого значения Е ₂. При этом текущее значение скорости изменения тока (di/dt) ₁ на момент времени t₁ уменьшается до требуемой величины (di/dt)₂. Современные импульсные регулируемые стабилизаторы работают при высоких частотах модуляции, поэтому время t переключения на новое значение напряжения составляет лишь десятки миллисекунд.

Найдем формулу для расчета необходимого значения Е₂. Для LC-цепи, подключенной к источнику напряжения E₁ на момент времени t ₁, справедливо уравнение Кирхгофа:

Определим из (1) значение индуктивности:

Полагая, что за столь малое время t установления напряжения Е₂ величины i ₁ и L практически не изменяются, перепишем выражение (1) для времени t₂=t₁+ t в следующем виде:

и подставим в него выражение (2). В результате получим:

Из выражения (4) следует, что для уменьшения скорости изменения тока в несколько раз нужно уменьшить соотношение между падением напряжения на индуктивности U_L=(E ₁-i₁·R) и падением напряжения на сопротивлении U_R=i₁·R во столько же раз.

При этом соотношение уменьшается за счет уменьшения U_L (при неизменном U_R) из-за уменьшения Е₂ . На фиг.1 наглядно видно, как при изменении соотношения между U_R и U_L изменяется ток и скорость его изменения, но здесь Е=const.

При практической реализации предлагаемого способа для определения требуемого значения напряжения Е₂ измеряются величины: E₁, i(t), di/dt и по ним рассчитывается L, а затем и Е₂. Максимально допустимое значение скорости (di/dt)₂ на промежуточном этапе определяется фактическим быстродействием стабилизатора тока и наименьшей постоянной времени обмоток контролируемого оборудования.

Если величина (di/dt)₂ будет выбрана слишком малой, то это не нарушит функционирование способа, а только несколько увеличит длительность промежуточного этапа. Его длительность можно корректировать, задавая момент t₁ в пределах значений i(t₁)=I₁ =(0,9-0,99)·I_уст.

Способ был проверен в опытном экземпляре прибора на силовом трансформаторе ТДТН 31500/110. Для второго этапа были зарегистрированы устанавливающиеся значения тока и напряжения, по ним вычислены значения сопротивления обмотки, а затем, для наглядности, они были пересчитаны в значения погрешности измерения сопротивления относительно установившегося значения и по ним построены графики. На фиг.4 приведен график измерения по способу прототипа, без промежуточного этапа, а на фиг.5 - график измерения по предлагаемому способу. Задержки на 3 с начала графиков вызваны запаздыванием в цифровом фильтре, усредняющем мгновенные отсчеты измерений за 3 с.

Экспериментально доказано, что предлагаемый способ уменьшает время второго этапа, определяемого временем установления сопротивления обмотки с погрешностью R=0,05%, с t_уст=24 с до t_уст=1,0 с, то есть больше, чем на порядок.

Для первого этапа эксперимент не проводился, так как, с одной стороны, очевидно, что степень уменьшения его длительности определяется исключительно предельными значениями напряжения E₁ и мощности регулируемого стабилизатора напряжения, а с другой стороны, влияние скорости изменения тока на первом этапе на длительность второго этапа в принципе исключена в предложенном способе, как было показано выше. Это исключение происходит автоматически путем постоянного отслеживания скорости (di/dt)₁ изменения тока на первом этапе, как бы она не была увеличена путем увеличения E₁ , и соответствующего уменьшения скорости изменения тока (di/dt) ₂ на промежуточном этапе.

Следовательно, доказано, что предлагаемый способ позволяет уменьшить общую длительность измерения и полностью решает поставленную задачу.