CN2366856Y - 在低压侧测量工频试验电压的装置 - Google Patents

Abstract

一种在试验变压器低压侧测量工频试验电压的装置,由可调测量阻抗和微型电压互感器构成。本装置与所配套使用的试验变压器一起调试整定后,补偿了试验变压器的阻抗电压。从而使其两侧电压恒为电压比的关系。本装置简单轻便,可代替昂贵的高压测量设备,测量精度达1%。本装置还可构成工频试验电压测量仪表和带测量装置的新型试验变压器。

Description

在低压侧测量工频试验电压的装置

本实用新型涉及电压测量装置，属于国际专利分类表G01R19/00，特别涉及一种在试验变压器低压侧测量工频试验电压的装置。

对电工设备进行工频耐压试验时，由于试验变压器自身阻抗的影响，只有当被试品的电容量很小时，才可近似地将试验变压器低压侧电压乘以电压比K计算出高压值。被试品电容量较大时，加于被试品上的试验电压将显著大于按电压比K计算的值，即通常所称的“容升”现象。所以准确测量试验电压目前都是采用电容分压器、互感器等设备在高压侧进行测量。但这些高压测量设备由于必须承受很高的电压，所以体积大，造价高，也不便携带使用。

本人获得授权的实用新型“工频试验电压测量装置”(ZL95222643.X)，通过对低压侧电压进行补偿，使补偿后的低压侧电压乘以电压比K等于高压侧试验电压，实现了在低压侧测量，代替了高压测量设备。但该实用新型存在下述两个缺点：

1，该测量装置是对试验变压器的阻抗电压及保护电阻R₁上的电压降之和进行补偿。但实际上保护电阻R₁大多数是水电阻，由用户自行配制。当制造带有测量装置的试验变压器时，除非同时提供保护电阻R₁，否则无法在出厂前进行测量装置的整定。

2，电流互感器容量为40VA，体积较大，装在试验变压器内部占空间较大，且制造费事。

本实用新型的目的在于避免上述的两个缺点，提供一种新的在试验变压器低压侧测量工频试验电压的装置。

上述目的是通过对实用新型“工频试验电压测量装置”(ZL95222643.X)进行下列改进达到的：

1，本实用新型只对试验变压器的阻抗电压进行补偿，略去保护电阻R₁上的压降。这样就可以在试验变压器出厂前配套并整定测量装置。

2，取消了原实用新型“工频试验电压测量装置”(ZL95222643.X)中的电流互感器及其两侧的分接开关。本实用新型的测量装置在一次侧测量试验电压时，补偿电压U_B经微型电压互感器9取得，电压互感器9的容量不到1VA，体积小，占位小，制造也方便。当在电表线圈测量试验电压时，电压互感器可以不用。标准ZBK41006-89《试验变压器》规定，容量5kVA及以上的试验变压器均装设电表线圈，所以对于大多数试验变压器，都可在电表线圈测量试验电压，本实用新型的测量装置简化为测量阻抗5.6(图2)。

以下参照附图，详细论证和描述本实用新型的工频试验电压测量装置。

图1是本实用新型所述的测量装置在试验变压器低压线圈测量试验电压的具体电路图。

图2是本实用新型所述的测量装置在试验变压器电表线圈测量试验电压的具体电路图。

图1及图2中：

1——试验变压器低压线圈；

2——试验变压器高压线圈；

3——保护电阻R₁；

4——被试品；

5——可调电阻R；

6——可调电抗X；

7——试验变压器电表线圈；

8——测量电压表；

9——微型电压互感器。

图中虚线框内为本实用新型所述的测量装置。

为了便于分析，引用电机学中关于试验变压器一、二次电压的相量关系式： ${{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_2={\stackrel{\·}{U}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_1(R_K+{R^{\′}}_1+j{X}_K)\left(1\right)$ 式中：

_₁、

——低压侧电压、电流；

_′₂＝_₂/K——折合到低压侧的高压侧试验电压值；

R_K、X_K——折合到低压侧的短路电阻、短路电抗值；

R′₁＝R₁/K₂——折合到低压侧的保护电阻值。

电机学从式(1)的相量图导出的试验变压器一，二次电压的标量关系式：

U′₂≈U₁-I₁((R_K+R′₁)Cos_₂+X_xSin_₂]  (2)

式(2)中_₂为被试品的阻抗角。

1，在试验变压器低压线圈测量试验电压的方法

  忽略保护电阻R₁上的压降，式(1)变为： ${{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_2={\stackrel{\·}{U}}_1\text{-}{\stackrel{\·}{I}}_1(R_K+j{X}_k)--\left(3\right)$

因U₂＝KU′₂，只要测得U′₂，便实现了在低压侧测量试验电压U₂。将测量阻抗(R+jX)5、6串入试验变压器高压线圈2的接地点。如图1所示，试验电流I₂通过它产生的压降经电压比为Kp的降压的电压互感器9产生补偿电压__B，将__B与一次电压_₁反极性叠加后，加到电压表8上测量。电压互感器9主要起隔离作用，防止电源火线接地。

测量阻抗R、X调节到式(4)，(5)决定的值：

R=R_kKKp    (4)

X=X_kKKp    (5)

由图1接线可知： ${\stackrel{\·}{U}}_B=-{\stackrel{\·}{I}}_2(R+\mathrm{jX})/\mathrm{Kp}--\left(6\right)$

将式(4)、(5)及 /K代入式(6)： ${\stackrel{\·}{U}}_B=-{\stackrel{\·}{I}}_1(R_k+j{X}_k)$

由图可知，电压表8测得电压： ${\stackrel{\·}{U}}_V={\stackrel{\·}{U}}_1+{\stackrel{\·}{U}}_B={\stackrel{\·}{U}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_1(R_k+j{X}_k)--\left(7\right)$

比较式(7)与(3)，可知：

__V＝_′₂＝_₂/K

即_₂＝K__V    (8)

式(8)表明：在图1的测量接线中，电压表8读数U_V乘以电压比K就得到试验电压U₂。这样就实现了用低压侧电压表测量高压侧试验电压的目的。

2，在试验变压器电表线圈测量试验电压的方法

具有电表线圈的试验变压器实质上是一种三绕组变压器。忽略保护电阻R₁的压降，折合到三次绕组电表线圈侧的电压相量关系式： ${\stackrel{\·}{U}}_3={{\stackrel{\·}{I}}^{\′\′}}_2(R_{k2}+j{X}_{k2})+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′\′}}_2--\left(9\right)$

式(9)中：R_k2、X_k2是折合到三次侧的二次线圈短路阻抗，约为一、二次间短路阻抗的2/3。

_″₂＝_₂/K₂₃为折合到电表线圈侧的 、_₂值。

或： ${{\stackrel{\·}{U}}^{\′\′}}_2={\stackrel{\·}{U}}_3-{{\stackrel{\·}{I}}^{\′\′}}_2(R_{K2}+j{X}_{k2})--\left(10\right)$

式(10)与式(3)类似，电表线圈电压_₃不等于高压的折合值_″₂。其差别是折合到三次侧的二次侧阻抗电压

。这就是电表线圈本身并不能准确测量高压侧电压的原因。

高压侧与电表线圈之间的电压比K₂₃往往制成整数1000。这样，在电表线圈测得的电压伏特数正好是高压侧电压的千伏数，这就是使用电表线圈的方便之处。

本测量方法也可以在电表线圈上应用，接线如图2所示，电表线圈7经测量阻抗5.6接到电压表8，测量阻抗R、X调节到如下值：

R＝R_k2K₂₃    (11)

X＝X_k2K₂₃    (12)

由图2可知： ${\stackrel{\·}{U}}_B=-{\stackrel{\·}{I}}_2(R+\mathrm{jX})$

代入式(11)、(12)及 ${\stackrel{\·}{I}}_2={{\stackrel{\·}{I}}^{\′\′}}_2/K_{23}$ ${\stackrel{\·}{U}}_B=-{{\stackrel{\·}{I}}^{\′\′}}_2(R_{k2}+j{X}_{k2})$

电压表8测得电压：

    __V＝_₃+__B $={\stackrel{\·}{U}}_3-{{\stackrel{\·}{I}}^{\′\′}}_2(R_{k2}+j{X}_{k2})--\left(13\right)$

比较式(10)、(13)可知：__V＝_″₂＝_₂/K₂₃

即：_₂＝K₂₃__V    (14)

这就证明了：电压表8的读数U_V乘以电压比K₂₃就等于高压侧试验电压U₂。

如果试验中发生高次谐波谐振，则谐振电流通过测量阻抗(R+jX)产生谐振电压的折合值，相应地补偿了谐振电压，故本装置能正确反映谐振现象。同理，对试验电压中的固有谐波，电能正确反映。

3，测量装置的接线与调试方法

测量装置是有极性的。必须按图1、图2所示极性接线。图中用圆点“.”标出了各线圈的极性端，如果极性接反了，电压表指示不但没有增加“容升”部分，反而减少了它，将比U′₂低很多。下面将说明调试时判明极性的方法。

测量装置与所用试验变器配套时，需调试后方能使用。现以在低压线圈测量的方法为例说明如下，在电表线圈测量时，调试方法与此相同。

按图1接线并将试验变压器高压输出端接地，在低压侧加额定电流。先将测量阻抗R、X置零，然后逐渐调大R、X值，如电压表8指示值随之减小，说明极性正确，否则应检查接线的极性，改正后再调试。反复调节R、X值，使电压表8指示为零或接近零的最小值。调好后将R、X元件滑动点固定即可，因为调试时高压侧短路，低压侧加的就是阻抗电压：

。

电压表8指零说明： 正好复制出倒相的阻抗电压的相量，使(6)(7)(8)式均成立，因而满足本方法的条件。由上述调试方法可知，测量装置串入高压回路引入的阻抗也同时被它自身补偿了。测量阻抗整定后，测量装置就成为该试验变压器专用的配套装置。这种短路试验方法也可作为本测量装置是否整定好的自检手段。

4，误差分析

4.1将式(2)折合到高压侧，得到试验电压：

  U₂＝KU₁-I₂〔(K²R_k+R₁)Cos_₂+K²X_kSin_₂〕(15)

本实用新型的测量装置只补偿试验变压器自身阻抗对试验电压的影响，忽略了保护电阻R₁对试验电压的影响，即忽略了式(15)中-I₂R₁Cos_₂项。下面考察这种忽略引起的误差。

当试验达到额定电流即：

I₂＝I_2n时，误差ΔU₂＝I_2nR₁Cos_₂最大，此时的引用误差：

ΔU₂/U_2n＝I_2nR₁Cos_₂/U_2n＝〔R₁/(U_2n/I_2n)〕Cos_₂  (16)

通常按试验变压器的额定阻抗(U_2n/I_2n)的百分之几选用保护电阻值R₁，一般R₁/(U_2n/I_2n)＜5％。被试品绝缘在耐压试验中呈现的功率因数Cos_₂，近似等于绝缘的介质损失角正切值，即Cos_₂≈tgδ，正常绝缘的tgδ小于百分之几，极限情况tgδ＜10％。

tgδ＞10％为绝缘严重受潮，不允许进行耐压试验。

将R₁/(U_2n/I_2n)≤5％及Cos_₂≤10％代入式(16)：

ΔU₂/U_2n≤0.5％

可见最不利的情况，忽略保护电阻R₁上的压降引起的引用误差也小于0.5％，是完全可以接受的。在通常情况下此项误差小于0.1％。由于忽略的项是负值，误差是正值。它将部分抵消由电压表内阻引起的负误差δ。

4.2 电压表内阻对测量精度的影响

在使用条件下，从电压表8两端往测量装置看进去，是一个有源一端口网络。根据电工学中戴维南定理，可推导出电压表内阻R_V引起的测量误差： $\mathrm{\δ}=(U_V-{U^{\′}}_2)/{U^{\′}}_2=-(R/K_D^2{R}_V)\×100\%--\left(17\right)$

在试验变压器低压线圈测量试验电压(图1)，电压互感器9的电压比Kp可取1-2。在电表线圈测量试验电压(图2)，测量装置中无电压互感器，Kp＝1。

由式(17)，测量误差δ与所用电压表的内阻R_V成反比。宜使用内阻较高的电压表。

5，本实用新型所述的测量装置与试验变压器装成一体，构成能在低压侧测量试验电压的新型试验变压器。

本实用新型所述的测量装置配上交流电压表可构成工频试验电压测量仪表，这种专用仪表又可装在试验变压器上，构成带测量仪表的新型试验变压器。因此使用本实用新型提供的技术可开发四种专利产品，它们都可实现低压侧测量工频试验电压：

(1)在低压侧测量工频试验电压的装置；

(2)可在低压侧测量试验电压的新型试验变压器；

(3)工频试验电压测量仪表；

(4)带测量仪表的新型试验变压器。

与实用新型“工频试验电压测量装置”(ZL95222643.X)相比，本实用新型所述的测量装置具有以下优点：

1，由于取消了电流互感器及其两侧分接开关，测量装置体积减小一半以上，制造更容易，安装更方便。

2，带测量装置或测量仪表的试验变压器在制造厂即可整定好，用户无需自已调试。

与现有的高压测量设备相比，本实用新型所述的测量装置具有下列优点：

1，测量装置体积小，重量轻，价格低，并且与试验变压器一体化，使用方便。通常的高压设备的体积、重量和价格随电压增高而急骤增加。本装置的大小和成本则与高压侧电压无关，重量只有2千克。成本只相当于电容分压器的百分之几左右。

2，测量装置不占试验室空间，不受周围接地体或带电体的影响。

3，测量装置允许使用普通电压表，而电容分压器要求使用很高内阻的电压表。

为考察本实用新型所述的测量装置的可行性，计算它用于常见的10种试验变压器时的元件参数和测量误差，列表1、2、3中。

根据国内试验变压器主要生产厂家的产品说明书，表1列出了常用的10种型号试验变压器的参数，表1中关于试验变压器参数的符号意义说明如下：

U_1n、U_2n、U_3n——一、二、三次侧额定电压(V)。

I_1n、I_2n、I_3n——一、二、三次侧额定电流(A)。

U_k％——阻抗电压百分数。

U_k——折合到一次侧的阻抗电压(V)。

Z_k——折合到一次侧的短路阻抗(Ω)。

__k——Z_k的阻抗角。

计算表1中试验变压器各参数使用了下列公式：

K＝U_2n/U_1n，U_k＝U_1nu_k％，K₂₃＝U_2n/U_3n，

Z_k＝U_k/I_1n，R_k＝Z_kCos__k，X_k＝Z_kSin__k。

表2列出了这10种试验变压器用本实用新型所述的装置在低压线圈测量试验电压时，测量元件应整定的参数。R、X值是按式(4)、(5)计算的。

表3列出了这10种试验变压器用本实用新型所述的装置在电表线圈测量试验电压时，测量元件参数。表中R_k2、X_k2分别按R_k、X_k(折合到三次侧的值)的2/3计算的。R、X值是按式(11)、(12)计算的。

常用的电压表满量程电流一般不大于30mA，30mA电压表的150V、300V、600V档的内阻分别为5kΩ、10kΩ、20kΩ。表2，3的后两栏列出了所用的30mA电压表的内阻R_V和按式(17)计算的相对误差δ。对所有的十种试验变压器误差δ均小于0.6％，证明本实用新型所述的测量装置是可行的。

T10-V型电压表满量程电流为7.5mA，如用此种表，表2、3中的误差δ可减至1/4，均小于0.15％，如用峰值电压表或数字表，由于其内阻很高，测量误差δ可以忽略。

本装置的精度达1％，满足国家标准GB311.4-91规定的高电压测量误差小于3％的要求。

表1：常用试验变压器参数表

序	试验变压器型号	U1n(V)	I1n(A)	K	uk(％)	Uk(V)	Zk(Ω)	Cos_k	Rk(Ω)	Xk(Ω)
											1	YD-5/50	220	22.7	227.27	4.6	10.1	0.445	0.9	0.401	0.194
2	YD-10/100	220	45.4	454.54	7.52	16.5	0.364	0.57	0.207	0.299
											3	YD-10/100	380	26.3	263.16	7.52	28.6	1.087	0.57	0.619	0.893
4	YD-25/100	220	113.6	454.54	6.5	14.3	0.126	0.40	0.050	0.116
											5	YD-25/100	380	65.8	263.16	6.5	24.7	0.375	0.40	0.150	0.344
6	YD-100/100	380	263.2	263.16	8.25	31.4	0.119	0.20	0.024	0.117
											7	YD-25/150	220	113.6	681.82	7.5	16.5	0.145	0.42	0.061	0.132
8	YD-25/150	380	65.8	394.74	6.6	25.1	0.381	0.42	0.160	0.346
											9	YD-100/150	380	263.2	394.74	6.45	24.5	0.093	0.24	0.022	0.090
10	YD-250/250	380	657.9	657.89	8.5	32.3	0.049	0.18	0.009	0.048

表2：在一次侧测量的元件参数表

序	试验变压器型号	U1n(V)	I2(A)	Kp	R(Ω)	X(Ω)	RV(KΩ)	δ(％)
									1	YD-5/50	220	0.1	2	182	88	10	-0.45
2	YD-10/100	220	0.1	2	188	272	10	-0.47
									3	YD-10/100	380	0.1	2	326	470	20	-0.41
4	YD-25/100	220	0.25	1	22.7	52.7	10	-0.23
									5	YD-25/100	380	0.25	1	40	90.5	20	-0.2
6	YD-100/100	380	1	1	6.3	30.8	20	-0.03
									7	YD-25/150	220	0.16	1	41.6	90	10	-0.42
8	YD-25/150	380	0.16	1	63	136	20	-0.32
									9	YD-100/150	380	0.17	1	8.7	35.5	20	-0.04
10	YD-250/250	380	1	1	5.9	31.6	20	-0.03

表3：在电表圈测量的元件参数表

序	试验变压器型号	U2n(KV)	U3n(V)	K23	Rk2(Ω)	Xk2(Ω)	R(Ω)	X(Ω)	Rv(kΩ)	δ(％)
											1	YD-5/50	50	100	500	0.0551	0.0266	27.5	13.3	5	-0.55
2	YD-10/100	100	100	1000	0.0285	0.0411	28.5	41.1	5	-0.57
											3	YD-10/100	100	100	1000	0.0285	0.0411	28.5	41.1	5	-0.57
4	YD-25/100	100	100	1000	0.0068	0.0159	6.8	15.9	5	-0.14
											5	YD-25/100	100	100	1000	0.0069	0.0158	6.9	15.8	5	-0.14
6	YD-100/100	100	100	1000	0.0011	0.0054	1.1	5.4	5	-0.02
											7	YD-25/150	150	150	1000	0.019	0.0407	19	40.7	5	-0.38
8	YD-25/150	150	150	1000	0.0167	0.036	16.7	36	5	-0.33
											9	YD-100/160	150	150	1000	0.0023	0.0094	2.3	9.4	5	-0.05
10	YD-250/250	250	250	1000	0.0026	0.0138	2.6	13.8	10	-0.03

Claims (6)

1，一种在试验变压器低压侧测量工频试验电压的装置，其特征在于：测量阻抗由可调电阻R(5)、可调电抗X(6)串联而成，测量阻抗串接于试验变压器高压线圈(2)的接地端和地线之间。

2，如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：当在试验变压器低压线圈(1)测量试验电压时，电压互感器(9)的一次线圈与测量阻抗(5)、(6)两端相接，而其二次线圈两端分别接试验变压器低压线圈(1)的非极性端和电压表(8)，电压表(8)的另一端接试验变压器低压线圈(1)的极性端。

3，如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：当在试验变压器电表线圈(7)测量试验电压时，电表线圈(7)的非极性端接测量阻抗(5)、(6)的非接地端，电压表(8)接于电表线圈(7)的极性端和测量阻抗(5)、(8)的接地端。

4，如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的测量装置与试验变压器装成一体，构成在低压侧测量试验电压的新型试验变压器。

5，如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的测量装置装上电压表，构成工频试验电压测量仪表。

6，如权利要求5所述的工频试验电压测量仪表，其特征在于：所述工频试验电压测量仪表与试验变压器装成一体，构成带测量仪表的新型试验变压器。

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