устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора

Формула изобретения

Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора, содержащее источник синусоидального напряжения, эталонный резистор, усилитель, индикатор, два выходных вывода, к которым подключают объект испытания, в котором первый вывод эталонного резистора соединен с первым выводом источника синусоидального напряжения, второй вывод эталонного резистора соединен с первым выходным выводом устройства и входом усилителя, выход которого соединен с входом индикатора, отличающееся тем, что в него введены два реле с переключающимися контактами, переключатель на три положения, два двухвходовых элемента ИЛИ, два усилителя мощности, выходной вывод устройства и источник питания цепей управления, причем замыкающие контакты переключающихся контактов реле соединены с вторым выводом источника синусоидального напряжения, а размыкающие контакты этих реле соединены с первым выводом источника синусоидального напряжения, подвижный контакт первого реле соединен с вторым выходным выводом устройства, подвижный контакт второго реле соединен с третьим выходным выводом устройства, подвижный контакт переключателя на три положения соединен с выходным выводом источника питания цепей управления, первый неподвижный контакт переключателя соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом второго элемента ИЛИ, второй неподвижный контакт переключателя соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, третий неподвижный контакт переключателя соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом первого усилителя мощности, выход которого соединен с входом втягивающей катушки первого реле, выход второго элемента ИЛИ соединен с входом второго усилителя мощности, выход которого соединен с входом втягивающей катушки второго реле.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике электрических измерений, в частности к измерениям электрических емкостей изоляции электрооборудования и может быть использовано для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора с целью контроля состояния обмоток трансформатора.

При внезапном коротком замыкании трансформатора в его обмотках возникают механические усилия, стремящиеся растянуть наружную обмотку и сжать внутреннюю. Кроме того, между витками одной и той же обмотки действуют усилия, которые стремятся сжать обмотку по высоте. Эти силы способны деформировать обмотки, что может привести к аварии трансформатора. Поэтому необходим периодический контроль состояния обмоток трансформатора. О геометрии обмоток можно судить по значению их индуктивности, измеряя сопротивление короткого замыкания. Однако более эффективным и чувствительным методом оценки состояния обмоток трансформатора является измерение их емкостей относительно «земли» и относительно друг друга. Этот метод весьма чувствителен даже к небольшим изменениям геометрии обмоток, что выгодно отличает его от традиционного метода измерения сопротивления короткого замыкания.

Известно устройство для измерения эффективной электрической емкости методом амперметра и вольтметра, а также с помощью фарадометра, куметра и моста переменного тока [1, 2, 3]. Недостатком этих устройств является наличие подвижных механических частей и невысокое быстродействие.

Наиболее близким техническим решением - прототипом к предлагаемому изобретению является устройство, для измерения электрической емкости [4], содержащее источник синусоидального напряжения, эталонный резистор, усилитель, индикатор, две выходных вывода, в котором первый вывод эталонного резистора соединен с первым выводом источника синусоидального напряжения, второй вывод эталонного резистора соединен с первым выходным выводом устройства и входом усилителя, выход которого соединен с входом индикатора.

Суть его заключается в том, что емкость измеряется на основе метода амперметра и вольтметра. Здесь под термином «емкость» C будем понимать, как это принято в [4] эффективную емкость, определяющую полное сопротивление конденсатора при данной угловой частоте :

При известном напряжении U и угловой частоте ток в цепи пропорционален измеряемой эффективной емкости C:I= UC=kC, где k - коэффициент пропорциональности. Далее термин «эффективная» перед словом «емкость» будем опускать. При низких частотах индуктивностью конденсаторов можно пренебречь. Поэтому при малых значениях индуктивности и tg значение емкости С будет совпадать с значением емкости в последовательной и параллельной схемах замещения.

Недостатком указанного устройства является то, что измерение с его помощью емкостей объекта, имеющего три вывода, между каждым из которых и двумя остальными выводами имеется электрическая емкость, связано со сложными вычислениями на основании результатов трех измерений. Поясним процесс измерения емкостей. На рис.1 обозначены:

0 - вывод корпуса трансформатора,

1 - вывод первой обмотки трансформатора,

2 - вывод второй обмотки трансформатора,

С ₁₀ - емкость первой обмотки относительно корпуса,

С₂₀ - емкость второй обмотки относительно корпуса,

C₁₂ - емкость первой обмотки относительно второй. Для определения емкостей, как это видно из рис.1, а, необходимо выполнить три измерения емкостей:

1) между точками 1 и 2

2) между точками 1 и 0

3) между точками 2 и 0

Далее, используя полученные при измерении значения C₁, С₂ и С₃, решая уравнения (2)-(4), определяют искомые значения емкостей С ₁₂ С₁₀ и С₂₀.

Цель изобретения - упрощение процесса измерения и определения емкостей за счет исключения при каждом измерении одного конденсатора. Поясним предлагаемый порядок измерения.

При измерении по первой схеме, показанной на рис.1, б, испытательное напряжение подано на обе обмотки 6 и 7, их потенциалы будут равны и емкостной ток между обмотками протекать не будет. Это значит, что емкость C₁₂ между обмотками исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:

При измерении по второй схеме, показанной на рис.1, в, потенциал на второй обмотке будет равен потенциалу на корпусе трансформатора и емкость С₂₀ между второй обмоткой и корпусом исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:

При измерении по третьей схеме, показанной на рис.1, г, потенциал на первой обмотке будет равен потенциалу на корпусе трансформатора и емкость C₁₀ между первой обмоткой и корпусом исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна:

Итак, имеем три линейных уравнения с тремя неизвестными C₁₀, C₂₀ и C₁₂. Из уравнений (5)-(7) легко определяются неизвестные емкости:

Таким образом, процесс определения частичных емкостей объекта измерения значительно упрощается.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрической емкости [4], содержащее источник синусоидального напряжения, эталонный резистор, усилитель, индикатор, два выходных вывода, к которым подключают объект испытания, в котором первый вывод эталонного резистора соединен с первым выводом источника синусоидального напряжения, второй вывод эталонного резистора соединен с первым выходным выводом устройства и входом усилителя, выход которого соединен с входом индикатора введены два реле с переключающимися контактами, переключатель на три положения, два двухвходовых элемента ИЛИ, два усилителя мощности, выходной вывод устройства и источник питания цепей управления, причем замыкающие контакты переключающихся контактов реле соединены с вторым выводом источника синусоидального напряжения, а размыкающие контакты этих реле соединены с первым выводом источника синусоидального напряжения, подвижный контакт первого реле соединен с вторым выходным выводом устройства, подвижный контакт второго реле соединен с третьим выходным выводом устройства, подвижный контакт переключателя на три положения соединен с выходным выводом источника питания цепей управления, первый неподвижный контакт переключателя соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом второго элемента ИЛИ, второй неподвижный контакт переключателя соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, третий неподвижный контакт переключателя соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом первого усилителя мощности, выход которого соединен с входом втягивающей катушки первого реле, выход второго элемента ИЛИ соединен с входом второго усилителя мощности, выход которого соединен с входом втягивающей катушки второго реле.

Структурная схема устройства для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора представлена на рисунке 2. На рисунке 2 обозначено:

1 - источник синусоидального испытательного напряжения,

2 - эталонный резистор,

3, 4, 5 - первый, второй и третий выходные выводы устройства,

6, 7 - первая и вторая обмотки испытуемого трансформатора,

8 - емкость C₁₂ между первой и второй обмотками трансформатора,

9 - емкость C₁₀ первой обмотки трансформатора на корпус,

10 - емкость C₂₀ второй обмотки трансформатора на корпус,

11, 12 - силовые переключающие контакты первого и второго реле,

13 - усилитель,

14 - индикатор,

15 - переключатель на три положения,

16, 17, 18 - первый, второй и третий неподвижные контакты переключателя 15 на три положения,

19, 20 - первый и второй двухвходовые элементы ИЛИ,

21, 22 - первый и второй усилители мощности,

23, 24 - катушки первого и второго реле

25 - источник питания цепей управления.

Устройство работает следующим образом. Когда переключатель 15 находится в первом положении, то его подвижный контакт соединен с первым неподвижным контактом 16. При этом на первых входах первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ появляется единичный сигнал. На выходах первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ также появляются единичные сигналы, которые через усилители мощности 21 и 22 подаются на катушки первого 23 и второго 24 реле. Первое и второе реле срабатывают и замыкают свои замыкающие силовые контакты 11 и 12. При этом собирается схема по рис 1, б, по которой измеряется емкость C ₁=C₁₀+C₂₀. Результат первого измерения считывается с индикатора 14.

Далее переключатель 15 переводят во второе положение, при котором его подвижный контакт соединен с вторым неподвижным контактом 17. При этом сигнал на втором входе первого двухвходового элемента 19 равен единице, а сигналы на обоих входах второго элемента 20 ИЛИ становятся равными нулю. Сигнал на выходе первого двухвходового элемента 19 ИЛИ остается равным единице, а сигнал на выходе второго двухвходового элемента 20 ИЛИ становится равным нулю. Первое реле остается включенным, а второе реле обесточивается и его размыкающие контакты 12 замыкаются. При этом собирается схема по рис 1,в, по которой измеряется емкость C₂=C₁₀+C₁₂ . Результат второго измерения считывается с индикатора 14.

В третьем положении переключателя 15 его подвижный контакт соединен с третим неподвижным контактом 18. При этом сигнал на обоих входах первого двухвходового элемента 19 ИЛИ равен нулю, а сигналы на втором входе второго элемента 20 ИЛИ становятся равными единице. Сигнал на выходе первого двухвходового элемента 19 ИЛИ становится равным нулю, а сигнал на выходе второго двухвходового элемента 20 ИЛИ становится равным единице. Первое реле выключается, его размыкающие контакты замыкаются, а второе реле включается и его замыкающие контакты 12 замыкаются. При этом собирается схема по рис 1,г, по которой измеряется емкость C₃=C₂₀+C₁₂. Результат третьего измерения считывается с индикатора 14. После этого по результатам трех измерений значения искомых емкостей определяют по формулам (8)-(10).

Технико-экономический эффект определяется упрощением процесса измерения и определения емкостей за счет исключения при каждом измерении одного конденсатора.

Источники информации

1. Справочник по электроустановкам промышленных предприятий в 4-х томах. Том 3. Под ред. А.С. Дорофеюка и В.И. Круповича. М.-Л.: Энергия, 1965, с.139-140.

2. Электрические измерения. Учебник для студентов электроэнергетических вузов. Под ред. А.В. Фремке. Л.: Энергия, 1973, с.143, 236.

3. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.И. Душин и др. Под ред. Е.М. Душина - 6-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. 1987. 480 с. с.173, 196.

4. Эпштейн С.Л., Викулов А.П., Москвин В.Н. Справочник по измерительным приборам для радиодеталей. Под ред. Гайлиша Е.А. Л.: Энергия 1980. с.10.