Miernik rezystancji uzwojeń transformatorów energetycznych

Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 134

1994 N r kol. 1225

Brunon SZ A D K O W S K I E ligiusz PA SE C K I B o g u sła w K A SP E R C Z Y K

M IER N IK R E Z Y ST A N C JI U Z W O JE Ń T R A N SF O R M A T O R Ó W E N E R G E T Y C Z N Y C H

Streszczenie. W artykule p rzed staw iono zasadę działania miernika rezystancji uzw ojeń transform atorów energetycznych, p rzezn a czo n eg o do kontroli nagrzew ania (lub stygnięcia) transform atorów, zg o d n ie z w ym aganiam i odp ow ied nich norm. P rzedstaw iono rów nież opis w yk on an ego m odelu miernika i je g o w łaściw ości

IN ST R U M E N T FO R M E A S U R IN G R E S IS T A N C E OF PO W E R T R A N SF O R M E R W IN D IN G S

Sum m ary. T he paper presents the principle o f operation o f an instrument for measuring resistance o f p ow er transformer w indings. T he instrument is designed for transformer heating (or self-co o lin g ) control according to the requirem ents o f the respective norm for the instrument. Its properties have been presented as well.

H3MEPHTEAb AKTHBHOTO COnPOTHBAEHHFI OBMOTOK BHEPrETPIMECKPlX TPAHCCDOPMATOPOB

P e3to M e . B c r a T b e n p e A C T a B A e H n p n H u n n A e ü C T B U fl n3M e p n T e A R a K T H B H o ro co np o T M B A e H U H o S m o t o k 3H e p re T n M e c K n x T p a n c o o p M a T o p o B n p e A H a3H a u e H b ix a a r k o h t p o a r H a r p e B a m iR ( h a k o c T b iB a H n a ) TpaH C <t>opM aTopoB , c o rA a c H O T p e C o B a H U R M c o o T B e T C T B y to u in x h o p m . rip e A C T a B A e H O T o x t e o n u c a H n e R3r0T0BAGH0M MOABAH R3M e p H T e A fl H B fO CbOÜCTB.

1. W P R O W A D Z E N IE

8__________________________ B. Szadkowski. E. Pasecki. B. Kasperczyk

P o d cza s tech nicznych o d b io ró w transform atorów , zarów n o n o w o w yprodukow anych jak i rem on tow anych, w ym agan e je st przeprow ad zenie prób nagrzew ania [6] polegających m ięd zy innym i na pom iarach rezystancji u zw ojeń dla prądu stałego [7], D o tych pom iarów zaleca się stosow an ie m etod y m ostk ow ej lub m etod y technicznej (układy z w oltom ierzem i am perom ierzem ) [7], Z asad niczą w ad ą w ym ienionych m etod jest na o g ó ł ich n ieprzystosow anie d o pom iarów dynam icznych, tzn. do ciągłych p om iarów zm ian rezystancji w czasie nagrzew ania lub stygnięcia transformatora. R ó w n o w a żen ie m ostka lub odczytyw anie w skazań w oltom ierza i am perom ierza odb yw a się w pew nym przedziale czasow ym , w którym m ierzona rezystancja w łaśn ie u lega zm ianie. Innymi w adam i w spom nian ych m etod p om iarow ych są: k o n ieczn o ść stosow an ia d o ść dużych prądów pom iarow ych (d o 100 A ), k o n ieczn o ść obliczania w y n ik ó w p om iarow ych oraz o gran iczon e m o żliw o ści bezpośredniej w spółpracy z system em kom puterow ym .

T y p o w e w artości rezystancji u zw ojeń transform atorów energetycznych zawierają się w granicach lO ^+lO 2 o m ó w , przy czym należy zw ró cić u w agę, ż e uzw ojenia te charakteryzują się znacznym i indukcyjnościam i w łasn ym i - od kilku m ilihenrów d o kilkudziesięciu henrów.

D u że indukcyjności w łasn e badanych u zw ojeń w ym agają specjalnych rozw iązań zarów no o b w o d ó w zasilających układy pom iarow e, jak i sam ych u k ład ów pom iarow ych, aby nie d opuścić do pow staw an ia przep ięć oraz innych zak łóceń w pomiarach.

W dalszym ciągu opisano zasadę działania oraz po d sta w o w e inform acje o b u dow ie i w ła ściw o ścia ch m iernika rezystancji u zw ojeń transform atorów , w którym w ykorzystano elem en t scalony serii IC L 7 1 0 6 , 0 7 lub 0 9 i w którym praktycznie w yelim in ow an o w szystkie w cześn iej w y m ien io n e w ad y d otych czas stosow an ych m etod pom iarow ych.

«

2. Z A S A D A P O M IA R U

Z asadę pom iaru rezystancji Rx, zasto so w a n ą w opisyw anym mierniku, ilustruje schem at przedstaw iony na rys. 1.

Miernik rezystancji uzwojeń 9

1 3 2 5

W

Rys. 1.Schem at ilustrujący zasadę pom iaru rezystancji Rx U - napięcie zasilania; I - prąd pom iarow y; Rx, Rn - rezystory m ierzony i w zo rco w y ; U.\ , Un - napięcia na rezystorach Rx, Rn; U D - układ dzielący; W - w skazanie w skaźnika cy fro w eg o

Fig. 1. Diagram illustrating the principle o f resistance Rx measuring. U - supply voltage; I - m easuring current; Rx,Rn - tested resistor and standard resistor; U x, Un - voltages on resistors Rx and Rn; U D - dividing circuit; W - digital display

Z asadniczym elem entem p od an ego schem atu jest blok U D (układ dzielący), zbudow any np. na elem en cie scalonym ICL 7 107. R ezultatem operacji dzielenia realizowanej przez blok UD jest w artość W w yśw ietlana na w skaźniku cyfrow ym , określona zależnością:

W :

U x U )

gdzie: U x - napięcie na m ierzonej rezystancji Rx, Un - napięcie na w zo rco w ej rezystancji Rn.

Przy założen iu, ż e blok U D od zn acza się pom ijalnie małym poborem m ocy z o b w o d ó w kontrolowanych (R x , Rn), m ożna przyjąć, ż e przez rezystancje Rx i Rn płynie ten sam prąd I, a zatem rów nanie (1 ) m ożna sp row adzić do postaci:

W = ■

IRv

I Rn Rn

(

)

Schem at z rys. 1 znany jest w literaturze [3, 5] jak o układ rów noprądow ej komparacji rezystancji Rx i Rn, a rów nanie (2 ) jest od p o w ied n io rów naniem komparacji. P ew n ą n o w o ścią jest tutaj zastosow an ie układu d zielą ceg o U D jak o przetwornika w y jścio w eg o komparatora.

Sygnał w yjściow y W jest w p rost pro-porcjonalny do mierzonej rezystancji R x i m oże być w ykorzystany do ciągłej kontroli zm ian R x . P onadto sygn ał W jest sygn ałem cyfrow ym i tym samym om aw iany miernik rezystancji m o że być z ła tw o ścią przystosow any do w spółpracy z system em kom puterow ym . Z auw ażm y rów nież, ż e bardzo łatw e jest przystosow anie miernika do b ezp ośred n iego odczytu m ierzonej wartości Rx . W tym celu w ystarczy (por. równ. 2) dobrać rezystor w z o rc o w y o w artości Rn = 10k, gd zie k - liczba całkow ita, a otrzym ane

w skazanie W będzie bezpośrednio rów ne m ierzonej w artości Rx przy uw zględnieniu odp o w ied n ieg o przesunięcia przecinka pozycyjnego. Z aletą przedstawionej zasady pomiaru jest także niezależn ość w yniku pom iaru W od w artości prądu pom iarow ego I (por. równ. 2), dzięki czem u staw iane zazw yczaj w ym aganie, aby źród ło zasilania układu (U ) było źródłem w ysokostab iln ym , staje się zbędne. W praktyce jednak należy liczyć się z pew nym w p ływ em niestabilności zasilania, np. gd y prąd I nie byłby jed nak ow y w dw óch kolejnych cyklach całkow ania realizow an ego przez elem ent ICL 7 107. Bardziej istotnym wym aganiem dla źródła zasilania (niż w y so k a stabilność) jest w ym aganie "odporności" na w p ływ y wynikające z dużej indukcyjności w łasnej uzw ojeń, których rezystancja R jest przedm iotem pomiaru.

Najbardziej niepożądane byłob y tutaj dop uszczen ie do sk ok ow ych zmian prądu I (załączanie, w yłączan ie, przełączanie zakresów ), które w efek cie p ow od ow ałyb y przepięcia niszczące w ię k szo ść elem en tów układu p om iarow ego. K oncep cje odp o w ied n ieg o rozw iązania tego problem u, jak rów nież rozw iązania innych p roblem ów zw iązanych z eliminacją zakłóceń elektrom agnetycznych bądź zabezpieczeniam i przed uszk odzen iem miernika w toku eksploatacji ujęte zostały w przedstaw ionym poniżej opisie w yk on an ego miernika.

_____________________________________________ B. Szadkowski. E. Pasecki. B. Kasperczyk

3. O PIS W Y K O N A N E G O M IE R N IK A

M iernik rezystancji u zw ojeń transform atorów energetycznych składa się z d w óch części u m ieszczonych w odd zieln ych obudow ach: zespołu zasilaczy oraz przetwornika p om iarow ego. Schem at b lok ow y miernika przedstaw iony jest na rys.2. Z esp ół zasilaczy um ieszcza się w pobliżu bad anego transformatora. Za p o m o c ą p rzew od ów o specjalnie w yk onan ych koń ców k ach zesp ó ł ten łą czy się z w yprow adzeniam i u zw ojenia transformatora, którego rezystancja ma być m ierzona. W zesp o le zasilaczy u m ieszczon e są stabilizow ane zasilacze prądu stałego Z i i Z 2. Zasilacz Zi jest źródłem prądu pom iarow ego przy pom iarze rezystancji m ałych, rzędu m iliom ów .N atom iast zasilacz

Z 2

Z ’e

Miernik rezystancji uzwojeń

JI

■"C CQ U % Rys.2. Schemat blokowymiernikarezystancjiuzwojeń transformatorów energetycznych Fig.2. Blockdiagramofthe instrument for measuring resistance ofpower transformerwindings

W o b w o d zie w ejściow ym zasilacza Z i zastosow any jest elektroniczny układ U Z N S pow odujący, że nie jest m ożliw e załączen ie te g o zasilacza przy nadmiernej niesymetrii napięć sieci trójfazowej.

Cały zakres p om iarow y miernika p od zielon y jest na kilka zakresów . Przy zm ianie zakresów zm ienia się w artość prądu pom iarow ego. Indukcyjność uzw ojeń transform atorów energetycznych jest duża. Jeżeli w czasie zm iany zakresów w ob w od zie zasilającym uzw ojenie w ystąpi przerwa, to na zaciskach teg o u zw ojenia pojaw i się du że napięcie. Z teg o w zględ u ob w o d y w yjścio w e zasilaczy są tak w yk onane, ż e zm iana wartości prądu p om iarow ego nie p ow od u je przerw y w o b w o d zie zasilającym uzw ojenie transformatora.

W zesp o le zasilaczy u m ieszczon y jest układ sz ereg o w o p ołączon ych opornik ów w zo rco w y ch Rn. W artości rezystancji tych op ornik ów z ależą od w ybranego zakresu p om iarow ego. Przy pom iarze m ałych rezystancji napięcie na m ierzonej rezystancji R \ jest w zm acn iane za p o m o cą w zm acn iacza pom iarow ego W N . N atom iast przy pom iarze dużych rezystancji napięcie U x jest dzielone za p o m o c ą rezystancyjnego dzielnika napięcia D N (u m ieszczo n eg o w ob u d ow ie przetwornika pom iarow ego ).

Z esp ó ł zasilaczy połą czo n y jest z przetwornikiem pom iarow ym w ielożyłow ym przew odem . P rzew odem tym przesyłane są napięcia p om iarow e (U x i Un) oraz napięcia sterujące, w łą cza n e przełącznikiem P i służące do zm iany zakresów pom iarowych.

Przetw ornik pom iarow y m o ż e być u m ieszczon y na stanow isku pom iarow ym w znacznej o d leg ło ści od zesp o łu zasilaczy. Przetw ornik ten spełnia funkcję układu d zielącego, realizującego za leżn o ść (1 ) oraz um ożliw ia sterow anie pracą zesp ołu zasilaczy. Z astosow any układ sygnalizacji optycznej informuje o b słu gę miernika o aktualnym stanie zesp ołu zasilaczy.

W ynik pomiaru rezystancji jest w yśw ietlany przez w skaźnik cyfrow y. Przetw ornik jest p rzystosow any do w spółpracy z kom puterem .

W przetworniku pom iarow ym zastosow an o dw a przetworniki an a lo g o w o -cy fro w e (a/c) o podw ójnym całk ow aniu (IC L 7 1 0 7 i ICL 7109). W ejścia tych przetw orników p o łą czo n e są r ów n olegle (rys.3). D o w ejść integracyjnych przetw orników a/c dop row adzone jest napięcie U x proporcjonalne do prądu płyn ącego przez m ierzoną rezystancję Rx. N atom iast do w ejść referencyjnych tych przetw orników dop row ad zon e jest napięcie Un proporcjonalne do prądu p łyn ącego przez rezystancję w z o r c o w ą Rn.

Przetw ornik ICL 7 1 0 7 jest p rzystosow any do bezpośredniej w spółpracy z sied m iosegm en tow ym w skaźnikiem d iod ow ym

3 h

12

Miernik rezystancji uzwojeń

I I

rezystancyjny układ pośredniczący. P onadto w uk ładzie tym zasto so w a n o układ lo g iczn y wyłączający św iecen ie zb ęd n eg o zera wskaźnika. Przecinki dziesiętne w skaźnika cyfro w eg o sterow ane są bezp ośred n io przełącznikiem P przy zm ianie zak resów pom iarow ych.

Przekroczenie zakresu p o m iarow ego sygn alizow an e jest w yłączen iem św iecen ia trzech ostatnich cyfr w skaźnika oraz św iecen iem cyfry 1 na pozycji pierw szej wskaźnika.

PK

Rys.3 .U kład w ejścio w y przetw ornika pom iarow ego Fig.3. Input circuit o f m easuring transducer

W yjście cy fro w e przetw ornika ICL 7 1 0 9 jest d op row ad zone b ezpośrednio do zacisk ów gniazda w yjścia cy fro w eg o przetw ornika pom iarow ego. Ponadto do te g o w yjścia doprow adzony jest sygn ał przekroczenia zakresu p o m iarow ego oraz sygn ał infrom ujący o stanie przetw ornika a/c. Sygn ał ten zm ienia się z zera na jedynk ę lo g iczn ą w czasie, gdy przetwornik a/c dok onu je całkow ania napięć w ejściow ych .

P rzetw ornik ICL 7 1 0 9 jest przetw ornikiem 12-bitow ym . P o n iew a ż w ejścia obydw u przetw orników a/c p o łą czo n e są rów n olegle, zatem zakresy pom iarow e tych przetw orników są takie sam e. O zn acza to, ż e w skazanie liczby 1999 w skaźnika c y fro w eg o odp ow iada stanowi 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 w yjścia c y fro w eg o , czyli w k od zie dziesiętnym liczbie 4 095.

Kom puter w spółpracujący z m iernikiem w prosty sp osób oblicza popraw ną wartość mierzonej rezystancji. Pracą przetw ornika IC L 7 1 0 9 m o że sterow ać kom puter pow odując je g o pracę c ią g łą lub jednorazow ą. Ponadto do gniazda wyjścia cyfro w eg o dop row adzone są sygnały inform ujące o aktualnie w łą czo n y m zakresie pom iarowym .

W przetw ornikach a/c o pod w ójn ym całk ow aniu [1 ,2 ,4 ] czas pierw szego całkow ania ustala się za p o m o cą generatora zeg a r o w eg o . M o że to być generator zew nętrzny lub w ew n ętrzn y. Jeżeli czas p ierw szeg o całkow ania Ti jest rów ny lub jest w ielok rotn ością okresu napięcia zak łócającego, to takie napięcie zakłócające nie w p ływ a na w ynik przetwarzania a/c.

W opracow anym mierniku rezystancji czas Ti jest w ielok rotn ością okresu napięcia sieciow go.

Zatem napięcie zakłócające o częstotliw ości sieciow ej oraz harm oniczne teg o napięcia, d op row ad zon e w raz z napięciem U x do w ejść integracyjnych przetw orników a/c, nie w p ływ a na w yn ik pomiaru rezystancji. C zas d rugiego całkow ania T2 zależy od w artości mierzonej rezystancji i zm ienia się w zakresie od T 2 = 2 Ti do T2 = 0,1 Ti (dla górnej i dolnej wartości rezystancji zak resów pom iarow ych). W ynika stąd, że napięcie zakłócające dop row adzone w raz z napięciem Un d o w ejść referencyjnych przetw ornik ów a/c w p ływ a na w ynik pomiaru rezystancji. Z te g o w zględ u w o b w o d zie napięcia Un zastosow an o filtr dolnoprzepustow y zb u d ow an y z e w zm acn iacza W i, op orn ik ów R i k on densatorów C. Tłum ienie te g o filtru napięcia o częstotliw ości sieciow ej w yn osi o k o ło 4 0 dB.

Z astosow an y w uk ładzie w ejściow ym przetw ornika p om iarow ego przekaźnik PK spełnia pod w ójn ą rolę. Styki norm alnie otw arte teg o przekaźnika od łączają przetworniki a/c od za cisk ó w w ejściow ych przetw ornika pom iarow ego w czasie, gdy nie jest dokonyw any pom iar rezystancji. Przekąźnik ten zab ezp iecza w ięc przetworniki a/c przed doprow adzeniem d o ich w ejść nadm iernych napięć. Ponadto zastosow an o w układzie w ejściow ym przetw ornika pom iarow ego układy rezystancyjno-d iod ow e zabezpieczające przetworniki a/c przed nadmiernymi napięciam i w czasie, gd y przekaźnik PK jest w łączon y. Styki normalnie zam knięte przekaźnika PK pow odują, że przed pom iarem rezystancji w ejścia integracyjne przetw ornik ów a/c są zwarte, a d o w ejść referencyjnych dop row ad zon e jest napięcie dodatnie.

Taki stan w ejść przetw ornik ów a/c w ym usza zer o w y stan ich wyjść.

Jeżeli przez opornik R N nie płynie prąd pom iarow y, to załączen ie przełącznika P nie sp ow od u je działania przekaźnika PK. T akie działanie przetwornika p om iarow ego realizuje układ zbud ow an y z e w zm acn iacza W 2 oraz tranzystorów Ti i T2. Gdy napięcie Un obniży się

i i B. Szadkowski. E. Pasecki. B. Kasperczyk

Miernik rezystancji uzwojeń 15

poniżej w artości ustalonej potencjom etrem PT, w ó w cz a s tranzystor T2 przestaje p rzew od zić, przekaźnik PK jest w y łą c zo n y i diod a elektrolum inescencyjna D nie św ieci. W skaźnik cyfrow y w skazuje stan zerow y.

<

4. W N IO SK I

O pracow any m iernik um ożliw ia ciągły pom iar rezystancji w czasie nagrzew ania (lub (stygnięcia) u zw ojeń transform atorów energetycznych zg o d n ie z w ym aganiam i odp ow ied nich norm [6], [7], Jest specjalnie d ostosow an y d o p om iarów rezystancji ob iek tów o dużej indukcyjności własnej. O dznacza się odp orn ością na zak łócen ia w ynikające z niestabilności napięcia sieci energetycznej zasilającej miernik oraz na w p ły w obcych pól elektrom agnetycznych, c o um ożliw ia stosow an ie miernika w trudnych warunkach przem ysłow ych. W ynik pomiaru jest w yśw ietlany na w skaźniku

3H

L IT E R A T U R A

[1] K alinow ski B : Am atorski multimetr cyfrow y. R adioelektronik nr 11/88 i nr 12/88.

[2] Kulka Z ., Libura A ., N ad ach ow sk i M.: Przetw orniki an a lo g o w o -cy fro w e i cyfrow o- an alogow e. W yd. K om unikacji i Ł ączn ości, W arszaw a 1987.

[3] M iłek M.: K om paracja w ielk o ści elektrycznych i m agnetycznych. Z N . Pol. SI. seria:

Elektryka, z. 77, G liw ice 1981.

[4] Stenzel J.: W oltom ierze cyfrow e z układam i scalonym i ICL 7 1 0 7 i ICL 7 1 0 6 Intersil.

R adioelektronik nr 4 /8 2 i nr 5/82.

[5] Szadk ow ski B.: Syn teza m etod pom iaru immitancji. Z .N .P ol. Śl. seria: Elektryka, z. 93, G liw ice 1984.

[6] P N -8 6 /E -0 4 0 7 0 /1 1 Transformatory. M etod y badań. Próba nagrzewania.

[7] P N -8 1 /E -0 4 0 7 0 .0 5 Transformatory. M etod y badań. Pom iar rezystancji uzw ojeń

Recenzent: Prof. dr hab. inż L eszek K iełtyka W p łyn ęło do redakcji dnia 2 0 czerw ca 1993 r.

I6_____________________________________________ B. Szadkowski. E. Pasecki. B. Kasperczyk

A bstract

The paper presents the principle o f operation o f an instrument for m easuring resistance o f p ow er transformer windings. Construction and properties o f the instrument are presented as well. It is possible to m easure continuously transformer resistance during heating by m eans o f this instrument. T he principle o f operation is based on the m ethod o f equal-current com parison o f tested resistance R x w ith standard resistance Rn A digital dividing circuit U D (fig. 1) is an output transducer o f the comparator. The instrument consists o f tw o parts: a p ow er supply unit and a m easuring transducer (fig. 2). T hese parts are placed in tw o separate casings. T he m easuring transducer functionates as a dividing circuit and realizes the equation (1). It enables controlling the p ow er supply unit w ork, too. T he result o f resistance m easurem ent is displyed on 3 1/2 digit indicator. It can be transmitted to a com puter system.

Elektronie circuits o f the m easuring transducer are protected against to o high imput voltages (fig.3). M easuring range o f the instrument is from 5 10'4 Q to 2 103 Q w h ile inaccuracy is 0 ,5 % The instrument is robust to disturbances resulting from supply voltage instability and outside electrom agnetic fields.