CC BY
227
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ МАЛОГАБАРИТНЫЕ РЕЗИСТИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИЗ МИКРОПРОВОДА
В.П.Берзан, M-Л.Шит (Институт Энергетики АН Молдовы), Ю.И.Колпакович, Д.И.Кожокару, В.Г.Клейменов, Центр "CRDEIMT", Институт "ELIRI" S.A., Республика Молдова, г.Кишинев
Аннотация. В работе рассмотрены конструктивные параметры и характеристик нового изделия, резистивного делителя напряжения переменного тока из микропровода для измерения высоковольтного напряжения переменного тока. Резистивные делители предназначены для применения в сетях переменного тока промышленной частоты и в тяговых сетях электрического транспорта. Делители имеют меньшие массогабаритные размеры по сравнению с измерительными трансформаторами напряжения и более высокий класс точности 0,2 при фиксированной частоте.
Ключевые слова: резистивный делитель, микропровод, высокое напряжение.
DIVIZOARE REZISTIVE DE TENSIUNE tNALTA DE CURENT ALTERNATIV DIN MICROCONDUCTOARE CU GABARIT REDUS
Berzan V.P., §it M. L.(IE A§M), Colpacovici Iu.,I., Cojocaru D.I., KleimenovV.G., "ELIRI" S.A.
Rezumat. Se examineaza realizarea constructive, parametrii §i caracteristicile unui nou produs, divizoare resistive din microconductoare petru masurarea tensiunii de current alternative de tensiune inalta pentru energetica §i transportul electrificat. Divizoarele se caractetrizeaza de o masa redusa §i precizie ridicata de masurare a tensiunii §i corespund clasei de precizie 0,2.
Cuvinte-cheie: divizor rezistiv, tensiune inalta, microconductoare.
HIGH VOLTAGE SMALL - SIZED ALTERNATIVE CURRENT RESISTIVE DIVIDERS FROM MICROWIRE
Berzan V.P., Sit M. L. (IE A§M), Kolpacovich Iu.,I., Kojokaru D.I., Kleimenov V.G., "ELIRI" S.A.
Republic of Moldova
Abstract. The paper discusses the design parameters and characteristics of the new product, the resistive voltage divider produced from microwire for measuring high-voltage alternating current. Resistive dividers are designed for use in AC circuits and power-frequency electric traction network traffic. Dividers have smaller mass-dimensional size compared with the measuring voltage transformers and higher accuracy class 0.2 at a fixed frequency.
Keywords: resistive high voltage dividers, microwire.
1. Введение
Современные системы учета и распределения электрической энергии нуждаются в достоверной информации о величине питающего напряжения и его отклонениях в процессе эксплуатации. Электроснабжающие предприятия и организации электрифицированного транспорта нуждаются в высокоточных, надежных и малогабаритных масштабных преобразователях высокого напряжения от 3 до 36 кВ, обеспечивающих получение указанной информации.
Одним из видов масштабных преобразователей высокого напряжения являются резистивные делители напряжения, обладающие рядом преимуществ по сравнению с трансформаторами и емкостными делителями. Из этих преимуществ следует отметить
высокую точность и стабильность, малые габариты, чрезвычайно низкое электропотребление, отсутствие резонансных эффектов, наличие экрана. Реализации этих преимуществ в области точности коэффициента деления делителя напряжения на переменном токе требует тщательного учета и компенсации паразитных параметров - емкости и индуктивности резистивных элементов делителей напряжения.
2. Конструктивные особенности малогабаритных высоковольтных резистивных делителей напряжения
Известные конструкции таких делителей представляют собой множество резистивных элементов собранных в длинные гирлянды для уменьшения паразитной емкости. Такие конструкции очень громоздки и нетранспортабельны. Уменьшение габаритных размеров, удовлетворение требованиям стабильности и транспортабельности может быть достигнуто за счет делителей напряжения на основе микропровода в стеклянной изоляции. Для этого имеются следующие предпосылки [1]:
- высокое погонное сопротивление провода - до 300 кОм/м, что при уменьшении размеров позволяет уменьшить паразитную распределенную емкость и индуктивность резистивных секций,
- высокое значение пробивного напряжения стеклянной изоляции микропровода - до 500 В;
- возможность точной настройки любого значения коэффициента деления на постоянном токе,
- возможность настройки и поверки при рабочем высоком напряжении на постоянном токе [2];
- возможность проверки амплитудной и фазовой погрешности на переменном токе при низком напряжении (до 1 кВ).
Ответственной частью высоковольтного делителя напряжения является высоковольтная резистивная секция (рис.1), габариты которой зависит от величины рабочего напряжения делителя ( для одного и того же номинала могут быть несколько типоразмеров).
Рис.1. Резистивная секция высоковольтного делителя напряжения
В качестве таких секций используются высоковольтные резисторы, сопротивление которого образовано обмоткой высокоомного микропровода с погонным сопротивлением 40- 150 кОм/м при диаметре провода 5-15 мкм. Индуктивность и емкость обмотки такого резистора, а также емкость токоподводов составляет паразитные параметры секции и существенно влияет на частотную погрешность делителя напряжения.
3. Схемы замещения и параметры резистивной секции из микропровода
Эти схемы представляют интерес при оценке параметров влияющих на показатели точности резистивных делителей напряжения. Простейшая схема замещения с сосредоточенными параметрами включает RLC элементы, значение которых необходимо определить. Для нашей задачи наиболее приемлемы расчетные методы. Поскольку резистивные элементы делителей являются по своей геометрии и по процессам близкими аналогами катушек индуктивности. Для катушек индуктивности, особенно однослойных, получены достаточно точные расчетные формулы, которые мы и используем при расчете параметров резистивных элементов делителей из микропровода [3]. На рис. 2 приведена простейшая схема замещения резистивного элемента с сосредоточенными параметрами.
L1 R1
______ R1- сопротивление секции (или плеча делителя)
С1- собственная паразитная емкость
О
L1 - собственная паразитная индуктивность
Рис.2. Простейшая эквивалентная схема резистивной секции или плеча делителя напряжения.
Модуль комплексного сопротивления ^1|:
|21| - ^|2 + (оЦ -ФЦС1 -°1С1)2 1 1 = (1 -о2 ь,с )2 + ос )2
Фаза р (или угловая, фазовая погрешность):
фЦ -о3¿2 с -фЯ2С, р = аг^ —1---------1—1------1—1 (2)
я1
где о - круговая частота.
Для оценки влияния паразитных емкости и индуктивности приведем их оценочный расчет.
Индуктивность резистивной секции. Индуктивность секции определим как индуктивность однослойной катушки [1], так как микропроволочные сопротивления по конструкции представляют собой катушки из высокоомного провода:
= 2-Ю • Вп (3)
1 9В + 20Н
где В - диаметр намотки (диаметр каркаса резистивной секции),
Н - длина намотки (длина каркаса резистивной секции), п - число витков намотки (число витков резистивной секции):
Собственная емкость секций и плеч делителя напряжения. Значение этого параметра можно вычислить по следующей формуле[3]:
с, =±с,=^ п (4)
1=1 Н
из которой видно, что для уменьшения собственной емкости необходимо уменьшать как диаметр провода, так и число витков, а для этого необходимо применение более высокоомного микропровода.
Обозначим погрешность модуля сопротивления резистивной секции как 5К :
6, = (|21| - ,)/Л. (5)
и тогда
21 = Л1(1 + 6Л ) (6)
В табл.1 приведены расчетные данные высоковольтной секции делителя напряжения общим сопротивлением , = 109От при различных значениях погонного сопротивления, индуктивности и емкости секции.
Таблица.1. Составляющие погрешности высоковольтного плеча делителя напряжения в зависимости от частоты переменного тока £=50 Н
Ло, Ц, Погрешность модуля, 5К, % Фаза, рк , мин
От Гн С1=0,5пФ С1=1пФ С1=1,5пФ С1=2пФ С1=0,5пФ С1=1пФ С1=1,5пФ С1=2пФ
50103 24,9
100 103 6,24 -0,012 -0,046 -0,095 -0,153 -8,9 -17,4 -25,2 -32,1
150 103 2,77
200 103 1,56
£=400 Гц
50 103 24,9
100 103 6,24 -0,038 -0,630 -0,744 -0,804 -51,5 -68,3 -75,1 -78,7
150103 2,77
200 103 1,56
Из расчетов получается, что практически для всех значений индуктивности секции, погрешность модуля и фазы сопротивления принимает одинаковые значения на частотах до 400 Гц. Основной влияющей величиной на погрешность модуля и фазы сопротивления является емкость секции.
4. Экранированный делитель напряжения
Делитель напряжения без экрана имеет ограниченное применение, поскольку на его погрешность модуля и фазы оказывают значительное влияние окружающие предметы. Введение экрана оказывает значительное воздействие на модуль и фазу сопротивления секции, но позволяет исключить непрогнозируемое влияние внешних факторов.
В [3] показано, что значение эквивалентной емкости между резистивной обмоткой и экраном рассчитывается по формуле:
2£Б0лП^4р ЛЯ0
С1е =------------------п (7)
1е 1п( Ве / В)
где Ве - диаметр экрана.
В табл.2 приведены расчетные данные высоковольтной секции делителя напряжения общим сопротивлением Д = 109От при различных значениях погонного сопротивления для резистивного элемента, помещенного в экранах с различным значением диаметра.
Конечно, приведенные расчеты являются приближенными, так как не учитывается ряд факторов, таких как емкость между токоподводами и экраном и др., формула для емкости витка приблизительная и т.д. Однако полученные результаты позволяют судить о поведении делителя на переменном токе, показывают возможность компенсации реактивности обмотки резистивных секций, поскольку погрешность модуля и фазы сопротивления от собственной емкости и от емкости на экран имеют противоположные знаки.
Таблица.2. Составляющие погрешности экранированного высоковольтного плеча делителя напряжения £=50 Гц
До, От Погрешность модуля, дсе, % Фаза, (рсе, мин
Бе= 50мм Бе= 100 мм Бе= 150мм Бе= 200мм Бе= 50мм Бе= 100мм Бе= 150мм Бе= 200мм
50103 0,00959 0,00240 0,00143 0,00107 366 183 141 122
100103 0,00240 0,00060 0,00036 0,00027 129 64,6 50,0 43,1
150103 0,00107 0,00027 0,00016 0,00012 70,4 35,2 27,2 23,5
200 103 0,00060 0,00015 0,00009 0,00007 45,7 22,9 17,7 15,2
£=400 Гц
До, От Погрешность модуля, 8се, % Фаза (Рсе , мин
Бе= 50мм Бе= 100 мм Бе= 150мм Бе= 200мм Бе= 50мм Бе= 100мм Бе= 150мм Бе= 200мм
50103 0,614 0,153 0,092 0,068 2930 1460 1130 975
100103 0,153 0,038 0,023 0,017 1030 517 400 345
150103 0,068 0,017 0,010 0,008 563 281 218 188
200 103 0,038 0,009 0,006 0,004 366 183 141 122
В результате моделирования и экспериментальных исследований найдено оптимальное соотношение конструктивного отношения диаметров экрана и резистивной секции, в зависимости от ее сопротивления. При этом достигается минимальное значение фазовой погрешности делителя - до 10 мин, при погрешности коэффициента деления не превышающей 0,1-0,2% на частоте 50 Гц.
Входное сопротивление делителя, в зависимости от рабочего напряжения составляет от 10 до 100 МОм. Делители напряжения из микропровода имеют малое значение температурного коэффициента деления, не превышающего 5-10-бК-1, а также имеют малое значение коэффициента зависимости от напряжения (нелинейности).
Резистивные делители из микропровода имеют низкое значение входной и выходной емкости, не превышающей единиц пикофарад, что обусловлено способом компенсации его частотной погрешности. Наличие экранирующей оболочки существенно
устраняет влияние внешних предметов на коэффициент деления и значительно уменьшает воздействие внешних электромагнитных воздействий и помех.
На рис.5-8 показаны малогабаритные делители напряжения 6-35 кВ, а на рис.9 частотные погрешности образца делителя типа БИТ 24 кВ определенные эксперимен-
тально.
Рис. 5. Резистивные делители напряжения переменного тока БИТ 24 кВ
Рис. 4. Резистивные делители напряжения переменного тока БЯТ 6-10 кВ
Рис. 6. Резистивные делители напряжения переменного тока БИТ 35 кВ
Частота, Гц
Рис.7. Зависимость погрешностей делителей DRT частоты
Выводы
1. Резистивные делители из микропровода имеют низкое значение входной и выходной емкости, не превышающей единиц пикофарад, что обусловлено способом компенсации его частотной погрешности.
2. Наличие экранирующей оболочки существенно устраняет влияние внешних предметов на коэффициент деления и значительно уменьшает воздействие внешних электромагнитных воздействий и помех.
3. Указанные делители напряжения могут найти применение в приборах учета электроэнергии в энергетике, а также на электрическом транспорте. По своим массогабаритным параметрам делители напряжения из микропровода значительно эффективнее традиционно применяемых измерительных трансформаторов напряжения.
Работа выполнена в рамках проекта " 09.808.05.01A . Structuri rezistive coaxiale în straturi de generale nouä de convertoare pentru mäsurarea tensiunii înalte (35 -110 kV) de curent alternativ”, Государственная Программа “Ingineria si tehnologiile electronice in relansarea economiei ”.
Литература.
1. Бадинтер Е., Берман Н., Драбенко И. и др. Литой микропровод и его свойства. Кишинев, Штиинца, 1973.
2. Колпакович Ю., Кожокару Д., Данилюк И. Автономная поверка высоковольтных делителей напряжения в реальных условиях эксплуатации. Academia de §tiin^e a Republicii Moldova. Centrul de Metrologie §i Automatizare a cercetarilor §tiin{ifice. Contribu^ii in metrologie, certificare, informatizare §i inovare. Chi§inau, 2003, p. 50-55.
3. Журавлев А.А., Шит М.Л., Колпакович Ю.И., Кожокару Д.И., Клейменов В.Г. Высоковольтный резистивный делитель на базе литого микропровода в стеклянной изоляции на рабочие напряжения 6 - 24 кВ переменного тока промышленной частоты. Problemele energeticii regionale. №3, 2008.
Берзан Владимир Петрович - др.хаб. техн. наук, директор Института энергетики АН Молдовы. Область научных интересов: неразрушающие методы диагностики электроэнергетического оборудования, нестационарные процессы в цепях с распределенными параметрами, математическое моделирование, передача электрической энергии на большие расстояния, возобновляемые источники энергии. Автор более 160 научных работ, включая 10 монографий. E-mail: [email protected]
Шит Михаил Львович - к.т.н., зав. Лабораторией «Энергетической эффективности и систем управления» Института энергетики АНМ. Область научных интересов: тепловые насосы на диоксиде углерода, автоматическое управление технологическими процессами в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве. e-mail: mihail [email protected]
Колпакович Ю.И. - зав. Лабораторией S.A. ELIRI, к.т.н. Область научных интересов - метрология, технология производства микропровода и измерительного оборудования на базе микропровода, системы автоматизации процессов обработки данных и поверки измерительного оборудования.
Кожокару Д.В. - инженер S.A. ELIRI. Область научных интересов - метрология, технология производства микропровода и измерительного оборудования на базе микропровода.
Клейменов В. - инженер S.A. ELIRI. Область научных интересов - метрология, технология производства микропровода и измерительного оборудования на базе микропровода.
