Analiza pracy przekładników napięciowych w czasie występowania zaników i zapadów napięcia zasilania
z arch. autorów
Źródłem impulsowych zaburzeń przewodzonych mogą być stany nieustalone spowodowane zanikami i zapadami napięcia zasilania, które pojawiają się w wyniku wystąpienia stanów awaryjnych w sieciach elektroenergetycznych. Do tych zaburzeń zaliczane są też udary prądowe i napięciowe, bardzo niebezpieczne ze względu na znaczną energię, jaką ze sobą niosą.
Zobacz także
dr inż. Zbigniew Skibko, mgr inż. Radosław Wiśniewski - ASTAT Sp. z o.o. Analiza dynamiczna zakłóceń występujących w sieci elektroenergetycznej
Zmieniające się przepisy, normy oraz stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technologii w przemyśle wymusza na producentach analizatorów parametrów jakościowych energii elektrycznej wdrażanie coraz to...
Zmieniające się przepisy, normy oraz stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technologii w przemyśle wymusza na producentach analizatorów parametrów jakościowych energii elektrycznej wdrażanie coraz to nowszych rozwiązań. Zwiększanie udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie mocy dysponowanej przez Krajowy System Elektroenergetyczny powoduje problemy, z którymi do tej pory operatorzy SEE się nie spotykali. Wzrost liczby odnawialnych źródeł energii przyłączonych do KSEE powoduje problemy z utrzymaniem...
inż. Radosław Lenartowicz Bezpieczeństwo użytkowania instalacji elektrycznych w Polsce
Autor publikacji analizuje instalacje elektroenergetyczne w Polsce z punktu widzenia wypadkowości porażenia prądem elektrycznym. Podstawę analizy stanowią dane na temat liczby śmiertelnych wypadków, które...
Autor publikacji analizuje instalacje elektroenergetyczne w Polsce z punktu widzenia wypadkowości porażenia prądem elektrycznym. Podstawę analizy stanowią dane na temat liczby śmiertelnych wypadków, które powodują porażenie prądem elektrycznym oraz pożary w budynkach w Polsce. Analizę prowadzono na podstawie informacji uzyskiwanych corocznie z Głównego Urzędu Statystycznego, Państwowej Inspekcji Pracy oraz Komendy Głównej Państwowej Straży Pożarnej oraz obserwacji i ustaleń. Profilaktykę stanowi...
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Napięcia zakłócające obwodu wtórnego indukcyjnego przekładnika napięciowego zależą od wielu czynników związanych z parametrami określającymi poszczególne rodzaje wewnętrznych sprzężeń magnetycznych i/lub elektrycznych. Rola tych sprzężeń zależy w znaczącym stopniu od czasu narastania impulsu zaburzenia, generowanego w obwodzie pierwotnym indukcyjnego przekładnika napięciowego w wyniku wystąpienia zaniku lub zapadu napięcia zasilania.
Przepięcia wtedy występujące ze względu na krótkie czasy narastania impulsów rzędu μs transferowane są do obwodu wtórnego przez pojemności wewnętrzne indukcyjnego przekładnika i mogą powodować nieprawidłową pracę przyłączonych układów pomiarowych lub zespołów automatyki zabezpieczeniowej. Opracowana metoda umożliwia wyznaczenie pojemności zastępczych między uzwojeniami oraz pojemności uzwojeń pierwotnego i wtórnego, co po określeniu wartości przepięcia w obwodzie pierwotnym badanego przekładnika napięciowego pozwala na obliczenie przewidywanej wartości przepięcia, która może wystąpić w obwodzie wtórnym [1–2].
Obiekty badań i ich schemat zastępczy
Obiektami badań są trzy indukcyjne przekładniki napięciowe. Badania dotyczą analiz jakościowej i ilościowej stopnia transferu impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych z obwodów pierwotnych do obwodów wtórnych przekładników napięciowych.
Badane modele A i B przekładników napięciowych mają dwa uzwojenia wtórne o napięciu znamionowym 100 V, natomiast znamionowe napięcie strony pierwotnej wynosi 2000 V.
Klasa dokładności badanych modeli przekładników napięciowych wynosi 0,5, a moc znamionowa każdego z uzwojeń wtórnych wynosi 25 VA.
Grubość warstwy izolacyjnej między rdzeniem a uzwojeniem wtórnym, jak również między uzwojeniami, zależy od planowanej różnicy napięć między izolowanymi elementami i warunkuje pojemności samych uzwojeń, jak również pojemności sprzęgające między poszczególnymi uzwojeniami i rdzeniem oraz uzwojeniem pierwotnym i uzwojeniami wtórnymi przekładnika napięciowego. Pojemności te wpływają na wartość współczynnika transferu zaburzeń przewodzonych przenoszonych przez przekładnik.
Model A charakteryzuje się nadmiernie zwiększoną grubością izolacji między uzwojeniem wtórnym a rdzeniem oraz uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, czyli zwiększoną rezystancją i reaktancją rozproszenia uzwojeń, tzn. również większą ich impedancją przy jednoczesnym zmniejszeniu pojemności własnych.
Model B, ze względu na mniejsze grubości izolacji, cechuje się małymi wartościami parametrów R i X uzwojeń, czyli również ma mniejsze ich impedancje, charakteryzuje się jednak zwiększonymi pojemnościami własnymi uzwojeń.
Badaniami laboratoryjnymi objęto także seryjnie produkowany przekładnik napięciowy produkcji ABB typu UDZ 24 przeznaczony do zasilania wnętrzowych przyrządów pomiarowych oraz obwodów zabezpieczeniowych urządzeń elektroenergetycznych o przekładni 2000 V/100 V i klasie dokładności 0,5 z jednym uzwojeniem wtórnym.
Podczas analizy transferu impulsowych zaburzeń przewodzonych przez przekładniki napięciowe zastosowano rozszerzony schemat zastępczy, który uwzględnia również pojemności własne uzwojeń przekładnika oraz pojemności międzyuzwojeniowe odpowiednie dla całego analizowanego zakresu częstotliwości. W zakresie częstotliwości do 10 kHz, możliwe jest modelowanie pojemności pasożytniczych jako skupionych, związanych tylko z uzwojeniami przekładnika.
Schemat zastępczy przekładnika napięciowego z dwoma uzwojeniami wtórnymi dla częstotliwości do 10 kHz przedstawiono na rys. 1. [3].
Rys. 1. Schemat zastępczy indukcyjnego przekładnika napięciowego z dwoma uzwojeniami wtórnymi dla częstotliwości do 10 kHz
Na schemacie tym zastosowano następujące oznaczenia (symbole z dwiema kreskami (bis) oznaczają wielkości sprowadzone do obwodu wtórnego):
- CAa1z, CAa2z – międzyuzwojeniowe pojemności zastępcze między uzwojeniem pierwotnym i odpowiednio I, II uzwojeniem wtórnym,
- CABz, Ca1n1z, Ca2n2z – pojemności zastępcze uzwojeń pierwotnego i uzwojeń wtórnych,
- R”1 – rezystancja uzwojenia pierwotnego,
- R21, R22 – rezystancje odpowiedniego uzwojenia wtórnego,
- R”Fe – rezystancja odwzorowująca straty w rdzeniu,
- L”μ – indukcyjność główna,
- L”AB – indukcyjność rozproszenia uzwojenia pierwotnego,
- La1n1, La2n2 – indukcyjności rozproszenia odpowiedniego uzwojenia wtórnego,
- u”1 – napięcie pierwotne,
- u21, u22 – napięcia odpowiedniego uzwojenia wtórnego,
- i’’1 – prąd uzwojenia pierwotnego,
- i21, i22 – prądy odpowiedniego uzwojenia wtórnego.
Układ pomiarowy i metodyka badań
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego wykorzystywanego w badaniach transferu przepięć powstających podczas zaników i zapadów napięcia pierwotnego przekładnika napięciowego
Pomiary dotyczące transferu przepięć zostały przeprowadzone zgodnie z zaleceniami normy [4] w układzie pomiarowym z rys. 2.
Jako układ sprzęgający zaburzenia z wejściem obwodu zasilającego badany przekładnik napięciowy wykorzystano generator HP6813B firmy Hewlett Packard, umożliwiający symulację zaników, zapadów i wahań napięcia.
Zgodnie z normą [5] zapad napięcia zasilającego następuje wówczas, gdy wartość napięcia znamionowego uzwojenia pierwotnego przekładnika napięciowego została obniżona do wartości poniżej 0,9·Un, jednak powinna wynosić nie mniej niż 0,1·Un. Zanik napięcia występuje, gdy napięcie w sieci wynosi nie więcej niż 0,1·Un.
Napięcie, którego wartość skuteczna wynosi powyżej 1,1·Un, zgodnie z normą [5] określane jest jako przepięcie.
Badania laboratoryjne polegały na jednoczesnej obserwacji, za pomocą oscyloskopu, kształtów napięć po stronie pierwotnej i wtórnej badanego przekładnika napięciowego. Wyznaczano procentowy współczynnik transformacji przepięcia przez badane przekładniki napięciowe na podstawie zależności:
Wzór 1
gdzie:
UPS – wartość przepięcia po stronie wtórnej przekładnika,
UmaxS – wartość maksymalna (amplituda) napięcia po stronie wtórnej przekładnika,
UPP – wartość przepięcia po stronie pierwotnej przekładnika,
UmaxP – wartość maksymalna (amplituda) napięcia po stronie pierwotnej przekładnika.
Wartość przepięcia po stronie pierwotnej i wtórnej przekładnika napięciowego w przypadku zapadu napięcia zasilającego uzwojenie pierwotne wyznaczono na podstawie zależności:
UP = Umax - UmaxSin (wzór 2)
gdzie:
UP – wartość przepięcia po stronie pierwotnej lub wtórnej przekładnika,
Umax – wartość maksymalna napięcia po stronie pierwotnej lub wtórnej przekładnika,
UmaxSin – wartość maksymalna (amplituda) napięcia sinusoidalnego po stronie pierwotnej lub wtórnej przekładnika.
W celu określenia przybliżonej wartości przepięcia w obwodzie wtórnym badanych indukcyjnych przekładników napięciowych zmierzono mostkiem RLC wartość międzyuzwojeniowej pojemności zastępczej.
W przypadku par zacisków przekładnika napięciowego będących uzwojeniami ze względu na występowanie, oprócz pojemności, także reaktancji rozproszenia uzwojenia X i jego rezystancji R, na drodze pomiarowej możliwe jest jedynie wyznaczenie parametrów impedancji zastępczej widzianej na zaciskach danego uzwojenia. W tym celu należy wykonać pomiar rezystancji zastępczej i reaktancji zastępczej na tych zaciskach przekładnika napięciowego i wyznaczyć częstotliwości rezonansowe dla schematu zastępczego uzwojenia przedstawionego na rys. 3.
Zgodnie z zaproponowanym schematem zastępczym uzwojenia, zespoloną impedancję zastępczą określa zależność:
Wzór 3
Zgodnie z warunkiem rezonansu, część urojona zespolonej impedancji zastępczej przyjmuje wartość równą zeru, czyli:
Wzór 4
Część rzeczywista zespolonej impedancji zastępczej, równa zmierzonej rezystancji między danymi zaciskami przekładnika napięciowego, określona jest zależnością:
Wzór 5
Rezystancja R uzwojenia przekładnika jest wyznaczana na podstawie pomiaru dla prądu stałego. Zatem, równania od (3) do (5) pozwalają obliczyć reaktancję pojemnościową uzwojenia i w efekcie pojemność zastępczą między jego zaciskami.
Określenie przybliżonej wartości przepięcia transformowanego z obwodu pierwotnego do obwodu wtórnego w indukcyjnym przekładniku napięciowym dla danego czasu narastania impulsu wymaga pomiarów mostkiem RLC przy odpowiedniej częstotliwości ekwiwalentnej.
Wyniki pomiarów
Rys. 4. Przebieg napięcia po stronie pierwotnej modelu A przekładnika podczas występowania zapadu napięcia o wartości 50% przy rozwartych uzwojeniach wtórnych
Rys. 5. Przebieg napięcia I uzwojenia wtórnego modelu A przekładnika podczas występowania zapadu napięcia o wartości 50% przy rozwartych uzwojeniach wtórnych
Na rys. 4. przedstawiono przebieg napięcia po stronie pierwotnej modelu A przekładnika podczas występowania 50-procentowego zapadu napięcia.
Wartość przepięcia w obwodzie pierwotnym modelu A przekładnika, powstającego po wystąpieniu 50-procentowego zapadu napięcia pierwotnego, wynosi około 1400 V względem napięcia znamionowego, następuje zatem około 0,7-krotny wzrost w stosunku do znamionowego napięcia pierwotnego.
Analiza oscylogramu (rys. 5.) pozwala odczytać wartość przepięcia zarejestrowanego po stronie wtórnej badanego przekładnika napięciowego, która wynosi 80 V, zatem nastąpił około 0,8-krotny wzrost względem znamionowego napięcia wtórnego.
W porównaniu z obliczoną wartością przepięcia po stronie pierwotnej (względem znamionowego napięcia pierwotnego z rys. 4.), przepięcie po stronie wtórnej (odniesione do znamionowego napięcia wtórnego) jest większe o około 10%.
Wartość przepięcia w obwodzie wtórnym jest uzależniona od pojemności między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym przekładnika napięciowego, która stanowi drogę przenoszenia się impulsów zaburzających powstających w obwodzie pierwotnym przekładnika. O wartości przepięcia decydują także wartości indukcyjności, rezystancji i pojemności danego uzwojenia przekładnika oraz poziom zapadu napięcia.
Zmierzona mostkiem RLC pojemność zastępcza między badanym uzwojeniem wtórnym i uzwojeniem pierwotnym w przypadku modelu A wynosi 11,6 pF przy zwartych uzwojeniach przekładnika. Natomiast pojemność zastępcza własna badanego uzwojenia wtórnego wynosi 197,6 pF, wyznaczona przy rozwartych zaciskach uzwojeń.
Opracowana została metoda, która pozwala na obliczenie wartości maksymalnej przepięcia w obwodzie wtórnym, przy znanej wartości przepięcia w obwodzie pierwotnym, w przypadku, gdy są wyznaczone pojemności zastępcze między uzwojeniami oraz pojemności własne badanego uzwojenia wtórnego.
Na podstawie rys. 4. wyznaczono, że wartość przepięcia po stronie pierwotnej wynosi 1400 V. Według opracowanej metody, wartość przepięcia na uzwojeniu wtórnym Upw można obliczyć zgodnie ze wzorem na dzielnik pojemnościowy:
(UPP - UPW)·CAa1z = UPW·Calnlz (wzór 6)
czyli:
(1400V - UPW)·11,6 pF = UPW·197,6 pF ⇒UPW = 78V (wzór 7)
Rys. 6. Przebieg napięcia po stronie pierwotnej modelu A przekładnika podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartych uzwojeniach wtórnych
Rys. 7. Przebieg napięcia I uzwojenia wtórnego modelu A przekładnika podczas występowania zaniku napięcia przy I uzwojeniu wtórnym obciążonym mocą 25 VA i II uzwojeniu wtórnym rozwartym
Wyznaczone z rys. 5. napięcie wtórne w chwili występowania przepięcia wynosi 80 V. Porównując obydwie wartości można stwierdzić, że opracowana metoda umożliwia, z pewnym przybliżeniem, określenie wartości maksymalnej przepięcia w obwodzie wtórnym. Granicznym przypadkiem zapadu napięcia jest jego zanik (rys. 6.).
Przepięcie spowodowane zanikiem napięcia ma wówczas wartość 2800 V, czyli wynosi 140% wartości znamionowej.
Analiza oscylogramu (rys. 7.) pozwala stwierdzić, że wartość przepięcia po stronie wtórnej badanego przekładnika napięciowego względem napiecia znamionowego wynosi około 140%, zatem nie nastąpił wzrost przepięcia.
Obciążenie badanego uzwojenia wtórnego modelu A przekładnika napięciowego mocą znamionową spowodowało ograniczenie przepięcia w obwodzie wtórnym.
Rys. 8. Przebieg napięcia I uzwojenia wtórnego modelu A przekładnika podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartych obu uzwojeniach wtórnych
Rys. 9. Przebieg napięcia po stronie pierwotnej modelu B przekładnika podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartych obu uzwojeniach wtórnych
Przy rozwartych obydwu uzwojeniach wtórnych (rys. 8.) maksymalna wartość napięcia wtórnego (względem wartości znamionowej) wynosi około 150%, zatem w porównaniu ze wzrostem napięcia po stronie pierwotnej (rys. 6.) nastąpił 10% wzrost przepięcia.
W tym przypadku napięcie na pojemności zastępczej uzwojenia wtórnego, wynikające z dzielnika pojemnościowego (z zastępczą pojemnością międzyuzwojeniową), jest największe i wynosi około 150 V (rys. 8.), a ponadto – brak obciążenia uzwojenia wtórnego oznacza brak dodatkowego tłumienia.
W tym przypadku wartość napięcia w obwodzie wtórnym obliczona na podstawie zależności (6) wynosi 155 V.
Na rys. 9. przedstawiono przebieg napięcia po stronie pierwotnej modelu B przekładnika podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartych uzwojeniach wtórnych.
W przypadku modelu B przekładnika wartość przepięcia powstającego w wyniku wystąpienia zaniku napięcia wynosi około 2800 V, więc jego wzrost (względem napięcia znamionowego) wynosi 140%, podobnie jak dla modelu A.
Rys. 10. Przebieg napięcia I uzwojenia wtórnego modelu B przekładnika podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartych obu uzwojeniach wtórnych
Rys. 11. Przebieg napięcia po stronie pierwotnej przekładnika napięciowego typu UDZ 24 podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartym uzwojeniu wtórnym
Analiza wyników z rys. 10. pozwala stwierdzić, że wartość przepięcia po stronie wtórnej (względem wtórnego napięcia znamionowego) przy braku obciążenia uzwojenia wtórnego wynosi 150%, zatem nastąpił 10-procentowy wzrost jego wartości w obwodzie wtórnym i jest on identyczny jak w przypadku modelu A przekładnika dla analogicznych warunków pomiarowych.
Obliczona wartość przepięcia zgodnie z zależnością (6) dla pojemności zastępczej własnej uzwojenia wtórnego równej 280,5 pF, wyznaczonej dla rozwartych zacisków uzwojeń przekładnika, przy zmierzonej wartości zastępczej pojemności międzyuzwojeniowej równej 16,2 pF, wynosi 153 V.
Ta sama wartość przepięcia wynika z faktu, że wartości pojemności dzielnika pojemnościowego modelu B badanego przekładnika napięciowego są proporcjonalnie większe od tych pojemności w dzielniku pojemnościowym występującym w modelu A badanego przekładnika napięciowego.
Badania laboratoryjne dotyczące transferu przepięć w przekładniku typu UDZ 24 wykazały, że przepięcie wygenerowane przy zaniku napięcia zasilającego wynosi około 1400 V, co stanowi 70% wzrost względem napięcia znamionowego (rys. 11.).
Wartość przepięcia po stronie wtórnej wynosi 70 V (rys. 12.).
Rys. 12. Przebieg napięcia po stronie wtórnej przekładnika napięciowego typu UDZ 24 podczas występowania zaniku napięcia przy rozwartym uzwojeniu wtórnym
Przekładnik napięciowy typu UDZ 24, w przypadku zaniku napięcia pierwotnego, przy rozwartym uzwojeniu wtórnym, charakteryzuje się najmniejszym przepięciami po stronach pierwotnej i wtórnej. Zastępcza pojemność sprzęgająca uzwojenie pierwotne i wtórne tego przekładnika jest najmniejsza z badanych przekładników i wynosi 8,7 pF, natomiast zastępcza pojemność własna uzwojenia wtórnego jest największa i wynosi 158,7 pF.
Przy przepięciu pierwotnym wynoszącym tylko 1400 V (rys. 11.) obliczone przepięcie wtórne wynosi 73 V.
Wnioski
Porównanie wyników obliczeń z rezultatami pomiarów pozwala stwierdzić, że opracowana metoda i wyniki obliczeń umożliwiają wyznaczenie wartości przepięcia w obwodzie wtórnym przekładnika napięciowego przy znanej wartości przepięcia w obwodzie pierwotnym i określonych pojemnościach zastępczych między zaciskami przekładnika.
Parametry układu izolacyjnego przekładnika napięciowego wpływają na wartości pasożytniczych pojemności sprzęgających stanowiących drogę przenoszenia przepięć między stroną pierwotną i wtórną przekładników, czyli warunkują wartość współczynnika transferu przepięć.
W niektórych przypadkach przepięcia w obwodzie wtórnym przyjmują relatywnie wartości większe niż w obwodzie pierwotnym. Konfiguracja pracy układu uzwojeń przekładnika napięciowego wpływa na wartość współczynnika transferu przepięć.
Okolicznościami sprzyjającymi wzrostowi przepięć w obwodzie wtórnym przekładników napięciowych względem ich wartości w obwodzie pierwotnym są obniżenie obciążenia przekładnika oraz wzrost wartości zapadu napięcia pierwotnego.
Analizując przenoszenie przez przekładniki napięciowe udarów napięciowych o krótszym czasie narastania impulsu niż analizowane przepięcia, należy stosować zmodyfikowany wysokoczęstotliwościowy schemat zastępczy [6]. Schemat ten powinien uwzględniać pojemności elementarne i zastępcze parametry uzwojeń.
Bezpośredni pomiar pojemności elementarnych często nie jest możliwy. Możliwy jest jedynie pomiar pojemności zastępczych, na które oprócz pojemności elementarnych między danymi zaciskami przekładnika napięciowego, składają się również inne elementarne pojemności składowe.
Pojemności te można wyznaczyć poprzez analizę matematyczną pomierzonych pojemności zastępczych. Wyznaczenie zastępczych parametrów uzwojeń można wykonać poprzez pomiar ich rezystancji i reaktancji lub modułu impedancji i kąta fazowego.
Literatura
- M. Kaczmarek, D. Brodecki, Influence of the capacity between windings of the voltage transformer on transfer of voltage surges, International Colloquium Transformer Research and Asset Management, Cavtat 2009.
- M. Kaczmarek, D. Brodecki, R. Nowicz, Analysis of operation of voltage transformers during interruptions and di-of primary voltage, 10th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation (EPQU) 2009, IEEE Xplore.
- A. Wiszniewski, Przekładniki w Elektroenergetycze, 2nd ed., WNT, 1992
- PN-EN 61000-4-11:2007 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 4-11: Metody badań i pomiarów. Badania odporności na zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia.
- PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych.
- D. Brodecki, Ograniczenie przenoszenia się zakłóceń impulsowych w przekładniku WN, „Przegląd Elektrotechniczny, nr 1k, 2004, s. 27-29, VII Ogólnopolskie Sympozjum Inżynieria Wysokich Napięć, 26-28 maja 2004, Poznań-Będlewo – IW 2004.
