Устройство для определения тангенса угла диэлектрических потерь

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении тангенса угла диэлектрических потерь твердых и жидких диэлектрических материалов, например трансформаторного масла. Техническим результатом изобретения является увеличение точности определения тангенса угла диэлектрических потерь испытуемого объекта при различных частотах приложенного напряжения. Устройство содержит измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации и измерительную схему с двумя выходами. Измерительное устройство может определять не только разность фазовых углов между входными сигналами, но и их амплитуду напряжений. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении тангенса угла диэлектрических потерь твердых электроизоляционных материалов, жидких диэлектриков, например, трансформаторного масла.

Известно устройство для измерения тангенса угла диэлектрических потерь [1] , содержащее высоковольтный трансформатор, имеющий отпайку на высоковольтной обмотке для подключения измерительных приборов: вольтметра, ваттметра и амперметра.

Однако известное устройство имеет большие габариты, множество соединительных проводов, требует дополнительной обработки измеренных величин, а по точности измерения пригодна лишь для объектов с большой емкостью, например, для турбогенераторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, содержащее высоковольтный трансформатор, с дополнительным выводом на высоковольтной обмотке, первый основной вывод которого через последовательно соединенные испытуемый конденсатор и резистор соединен со вторым основным выводом и подключен к общей точке схемы, источник синусоидального сигнала, подключенный к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, блок индикации, схема измерения разности фаз, один вход которой подключен к общей точке соединения резистора и испытуемого конденсатора, другой - к дополнительному выводу высоковольтной обмотки трансформатора, а выход соединен с блоком индикации, который измеряет тангенс угла диэлектрических потерь по формуле: tgδ = tg(π/2-α-γ), где δ - угол диэлектрических потерь испытуемого конденсатора, α - угол между векторами напряжений на высоковольтной обмотке трансформатора и на резисторе, γ - угол между векторами напряжений на высоковольтной обмотке трансформатора и на испытуемом конденсаторе [2].

Недостатком существующего устройства является то, что измерение тангенса угла диэлектрических потерь осуществляется с помощью идеального резистора, не обладающего емкостной составляющей. Известно, что таких резисторов нет. При измерении тангенса угла диэлектрических потерь на частоте промышленной сети, а также на других частотах менее 1 кГц индуктивной составляющей специально подобранного резистора можно пренебречь, но емкостной составляющей пренебрегать нельзя. Поэтому с целью уменьшения систематической погрешности измерений целесообразно заменить резистор активно-емкостной нагрузкой.

Другим недостатком существующего устройства является то, что измерение тангенса угла диэлектрических потерь производится при фиксированном значении угла γ. При фиксированных параметрах измерительного устройства для упрощения вычислений угол γ принимается постоянной величиной. Однако значение угла (γ) зависит от значения самого измеряемого угла диэлектрических потерь (δ). Пренебрежение этой зависимостью приводит к дополнительной систематической погрешности. Следующей причиной, приводящей к уменьшению точности измерения тангенса угла диэлектрических потерь, является невозможность точно поддерживать величину напряжения, приложенного к испытуемому объекту. Это может приводить к увеличению случайной погрешности. Например, [3] при определении тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла требует, чтобы значение напряженности электрического поля между электродами испытуемой жидкости равнялось 1 кВ/мм. Существующее устройство не позволяет измерять значение тангенса угла диэлектрических потерь при различных частотах. Это является еще одним недостатком известного устройства. Кроме того, при наладке существующего устройства возникают дополнительные сложности настройки.

Техническим результатом является существенное увеличение точности определения тангенса угла диэлектрических потерь, упрощение процесса настройки устройства, а также определение тангенса угла диэлектрических потерь испытуемого объекта при различных частотах приложенного напряжения.

Увеличение точности, упрощение процесса настройки устройства, а также возможность измерения тангенса угла диэлектрических потерь испытуемого объекта при различных частотах приложенного напряжения достигается тем, что в известное устройство, содержащее высоковольтный трансформатор с дополнительным выводом на высоковольтной обмотке, первый основной вывод которого соединен с первым зажимом испытуемого конденсатора, а второй зажим подключен к общей точке схемы, источник синусоидального сигнала, подключенный к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, измерительная схема, один вход которой соединен со вторым зажимом испытуемого конденсатора, другой - с дополнительным выводом высоковольтной обмотки трансформатора, дополнительно введена активно-емкостная нагрузка, первый вывод которой подключен ко второму зажиму испытуемого конденсатора, а второй - к общей точке схемы, причем измерительная схема включает в себя измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации, которая измеряет не только разность фаз α между входными сигналами, но и их амплитуду напряжений, а тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле: tgδ = tg(δ₁-α-γ) при (α+γ)≤δ₁, tgδ = tg(δ₁+α+γ) при (α+γ)>δ₁, где δ₁ - значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки на частоте синусоидального сигнала, заложенное в блоке памяти измерительной схемы; α - угол между векторами напряжений на высоковольтной обмотке трансформатора и на активно-емкостной нагрузке; γ - угол между векторами напряжений на высоковольтной обмотке трансформатора и на испытуемом конденсаторе, причем угол (γ) определяется по формуле:

где U₂ - падение напряжения на активно-емкостной нагрузке,
U_oтп - напряжение на дополнительном выводе высоковольтной обмотки, k - отношение общего числа витков высоковольтной обмотки трансформатора к числу витков дополнительного вывода, а источник синусоидального сигнала выполнен с возможностью регулирования, как амплитуды напряжения, подаваемого на первичную обмотку высоковольтного трансформатора, так и частоты и имеет дополнительный управляющий вход, подключенный к выходу измерительной схемы, и дополнительный выход, соединенный с дополнительным управляющим входом измерительной схемы.

Сущность изобретения заключается в увеличении точности измерения тангенса угла диэлектрических потерь, за счет измерения угла (γ) и за счет поддержания амплитуды напряжения на испытуемом объекте постоянной величины, измерения его диэлектрических потерь при разных частотах, а также в применении специальной программы для вычислений измеряемых параметров и настройки устройства.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения тангенса угла диэлектрических потерь содержит измерительную схему 1 с двумя входами, один из которых - 2 подключен к общей точке соединения испытуемого конденсатора 3 (Сх) и активно-емкостной нагрузки Z₀ (4), другой - 5, к дополнительному выводу высоковольтной обмотки трансформатора 6, а выход 7 измерительной схемы 1 подключен к дополнительному управляющему входу 8 источника синусоидальных сигналов 9. Источник синусоидальных сигналов 9 своим выходом подключен к первичной обмотке высоковольтного трансформатора 6 и имеет дополнительный выход 10, который соединен с дополнительным управляющим 11 входом измерительной схемы 1.

На фиг.2 приведена векторная диаграмма работы устройства при (α+γ)≤δ₁, а на фиг.3 - векторная диаграмма работы устройства при (α+γ)>δ₁.

Электрическая структурная схема и векторные диаграммы имеют следующие обозначения:
U - напряжение на высоковольтной обмотке трансформатора 6,
U₁ - падение напряжения на испытуемом конденсаторе 3,
U_R, Uc - соответственно напряжение на активной и реактивной составляющих испытуемого объекта 3 при последовательной схеме замещения,
U₂ - падение напряжения на активно-емкостной нагрузке Z₀ - (4),
I - ток, проходящий через высоковольтную обмотку трансформатора 6, испытуемый объект 3 и активно-емкостную нагрузку 4,
δ - угол диэлектрических потерь испытуемого объекта,
δ₁ - угол диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки,
U_R0, Uco - соответственно напряжение на активной и реактивной составляющих активно-емкостной нагрузки Z₀ при последовательной схеме замещения,
γ - угол между векторами напряжений U и U₁,
α - угол между векторами напряжений U и U₂ или угол между векторами тока I и напряжения U.

На фиг.2 Θ = (α+δ₁).
На фиг.3 Θ = (γ+α).
Устройство работает следующим образом.

Напряжение источника синусоидального сигнала 9 подается через высоковольтный трансформатор 6 на испытуемый объект 3. Сигнал, снимаемый с дополнительного вывода 5 высоковольтной обмотки трансформатора 6, и сигнал 2, снимаемый с активно-емкостной нагрузки 4, подаются на измерительную схему. Измерительная схема включает в себя измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации. Она может определять не только разность фаз α углов между входными сигналами, но и их амплитуду напряжений, а также вычисляет угол (γ) - по следующей формуле:

где U₂ - падение напряжения на активно-емкостной нагрузке,
U_oтп - напряжение на дополнительном выводе высоковольтной обмотки,
k - отношение общего числа витков высоковольтной обмотки трансформатора к числу витков дополнительного вывода.

Измерительная схема также вычисляет тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) испытуемого объекта по формуле:
tgδ = tg(δ₁-α-γ) при (α+γ)≤δ₁,
tgδ = tg(δ₁+α+γ) при (α+γ)>δ₁,
где δ₁ - значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки на частоте синусоидального сигнала, заложенное в блоке памяти измерительной схемы.

Значение тангенса угла диэлектрических потерь выводится на блоке индикации измерительной схемы, а также сохраняется в ее блоке памяти под условным номером.

При изменении условий нахождения испытуемого конденсатора, например, (температура) значение угла потерь испытуемого объекта также меняется. Поэтому изменится и напряжение, приложенное к испытуемому конденсатору. Однако, в данном устройстве предусмотрена возможность поддержания постоянного значения напряжения на испытуемом конденсаторе. Оно реализовано следующим образом.

В блоке памяти измерительной схемы, кроме δ₁ - угол диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки, дополнительно заложены значения напряжения U₁ и k, где
U₁ - напряжение, которое необходимо приложить на испытуемый конденсатор,
k - отношение общего числа витков высоковольтной обмотки трансформатора к числу витков дополнительного вывода.

Измерительная схема позволяет вычислить значение напряжения U₁. Оно может быть измерено по формуле (см. фиг.2, 3):

где U₁ - падение напряжения на испытуемом конденсаторе 3,
U₂ - падение напряжения на активно-емкостной нагрузке Z₀ - (4),
U_отп - напряжение на дополнительном выводе высоковольтной обмотки,
k - отношение общего числа витков высоковольтной обмотки трансформатора к числу витков дополнительного вывода.

Если величина напряжения U₁, вычисляемая измерительной схемой 1, окажется меньше значения U₁, заданного в блоке ее памяти, то на его выходе 7 измерительной схемы появится положительный сигнал (+). Этот сигнал воздействует на управляющий вход 8 источника синусоидальных сигналов 9 так, что на его выходе и, значит, на первичной обмотке высоковольтного трансформатора 6 амплитуда синусоидального сигнала увеличится до тех пор, пока падение напряжения на испытуемом конденсаторе 3 - U₁ не станет равным значению U₁, заложенного в блоке памяти измерительной схемы 1.

Если величина напряжения U₁, вычисляемая измерительной схемой 1, окажется больше значения U₁, заданного в блоке ее памяти, то на его выходе 7 измерительной схемы 1 появится отрицательный сигнал (-). Этот сигнал, в свою очередь также воздействует на управляющий вход 8 источника синусоидальных сигналов 9 таким образом, что на его выходе амплитуда синусоидального сигнала уменьшится до тех пор, пока падение напряжения на испытуемом конденсаторе 3 - U₁ не станет равным значению U₁, заложенному в блоке памяти измерительной схемы 1.

В устройстве также предусмотрено измерение тангенса угла диэлектрических потерь испытуемого конденсатора в зависимости от частоты напряжения, приложенного к нему. Источник синусоидального сигнала 9 выполнен таким образом, что он может генерировать напряжение, приложенное к первичной обмотке высоковольтного трансформатора в широких пределах по частоте. Своим дополнительным выходом 10 он воздействует на дополнительный управляющий вход 11 измерительной схемы 1 и с блока ее памяти выбирает то значение угла δ₁, которое соответствует данной частоте. В этом случае тангенс угла диэлектрических потерь испытуемого конденсатора будет определяться в зависимости от частоты синусоидального сигнала, с учетом (δ₁), измеренной при данной частоте. Значение тангенса угла диэлектрических потерь, в зависимости от частоты приложенного напряжения, также будет сохранено в блоке памяти измерительной схемы под условным номером.

Источники информации
1. М. В. Локшин, П. М. СВИ, Измерение диэлектрических потерь высоковольтной изоляции. М.: Энергия, 1973. -144с.

2. Патент 2115131 РФ. Устройство для определения тангенса угла диэлектрических потерь /Михеев Г.М. //Открытия. Изобретения. 1998. 19.

3. ГОСТ 6581-75 Материалы электроизоляционные, жидкие. Методы электрических испытаний. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 23с.

Формула изобретения

1. Устройство для определения тангенса угла диэлектрических потерь, содержащее высоковольтный трансформатор с дополнительным выводом на высоковольтной обмотке, первый основной вывод которого соединен с первым зажимом испытуемого конденсатора, а второй зажим подключен к общей точке схемы, источник синусоидального сигнала, подключенный к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, измерительную схему, один вход которой соединен со вторым зажимом испытуемого конденсатора, другой - с дополнительным выводом высоковольтной обмотки трансформатора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введена активно-емкостная нагрузка, первый вывод которой подключен ко второму зажиму испытуемого конденсатора, а второй - к общей точке схемы, причем измерительная схема выполнена с измерительно-вычислительным блоком, блоком памяти и индикации, которая измеряет разность фаз α между входными сигналами и их амплитуду напряжений, при этом тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле
tgδ = tg(δ₁-α-γ) при (α+γ)≤δ₁,
tgδ = tg(δ₁+α+γ) при (α+γ)>δ₁,
где δ₁ - значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки на частоте синусоидального сигнала, заложенное в блоке памяти измерительной схемы;
α - угол между векторами напряжений на высоковольтной обмотке трансформатора и на активно-емкостной нагрузке;
γ - угол между векторами напряжений на высоковольтной обмотке трансформатора и на испытуемом конденсаторе, который в свою очередь определяется по формуле

где U₂ - падение напряжения на активно-емкостной нагрузке;
Uomn - напряжение на дополнительном выводе высоковольтной обмотки;
k - отношение общего числа витков высоковольтной обмотки трансформатора к числу витков дополнительного вывода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник синусоидального сигнала выполнен с возможностью регулирования, как амплитуды напряжения, подаваемого на первичную обмотку высоковольтного трансформатора, так и частоты.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что источник синусоидальных сигналов имеет дополнительный управляющий вход, подключенный к выходу измерительной схемы, и дополнительный выход, соединенный с дополнительным управляющим входом измерительной схемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3