PL205002B1

PL205002B1 - Voltage transformer with improved metrological properties

Info

Publication number: PL205002B1
Application number: PL371072A
Authority: PL
Inventors: Wojciech Piasecki; Pentti Mahonen; Mariusz Luto
Original assignee: Abb Spo & Lstrok Ka Z Ogranicz; Abb Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2010-03-31
Also published as: PL371072A1; WO2006049521A1

Abstract

The subject of the invention is a voltage transformer with improved metrological qualities applicable especially in medium voltage networks. The voltage transformer according to the invention has an air-gap (5) in the magnetic core (2) and a phase compensation circuit (6) connected in parallel to the terminals of the secondary winding (4) of the transformer which are used for connecting the inputs of a voltage measuring system (7).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest przekładnik napięciowy, znajdujący zastosowanie zwłaszcza w sieciach ś redniego napięcia.The subject of the invention is a voltage transformer, which is used in particular in medium voltage networks.

Znane przekładniki napięciowe wyposażone są w rdzenie magnetyczne o dużej przenikalności magnetycznej i niskiej stratności magnetycznej. Rdzenie przekładników napięciowych nie zawierają szczeliny powietrznej ze względu na jej niekorzystny wpływ na parametry metrologiczne przekładnika, w szczególnoś ci na jego b łąd fazowy.Known voltage transformers are equipped with magnetic cores with high magnetic permeability and low magnetic loss. The cores of voltage transformers do not contain an air gap due to its unfavorable effect on the metrological parameters of the transformer, in particular on its phase error.

Jednakże szczeliny powietrzne w rdzeniu magnetycznym transformatorów i dławików są powszechnie stosowane, w celu unikania nasycania rdzenia w przypadku obecności składowej stałej napięcia. Szczeliny powietrzne wykonywane są również w rdzeniach przekładników prądowych, w celu uzyskania przekładników umoż liwiających pomiary stanów przejściowych podczas których występuje składowa stała prądu.However, air gaps in the magnetic core of transformers and chokes are commonly used to avoid saturation of the core in the presence of a constant voltage component. Air gaps are also made in the cores of current transformers in order to obtain transformers that enable measurements of transient states during which there is a constant current component.

Znane są również rdzenie magnetyczne zawierające szczelinę w materiale magnetycznym, ale szczelina ta w przypadku rdzeni dla przekładników napięciowych wypełniona jest wstawką magnetyczną.Magnetic cores containing a slot in the magnetic material are also known, but this slot in the case of cores for voltage transformers is filled with a magnetic insert.

Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne takiego rdzenia przedstawione jest w polskim zgłoszeniu patentowym P-363815. Wstawkę magnetyczną stosuje się w tym przypadku do tłumienia stanów ferrorezonansowych rdzenia ferromagnetycznego. Wstawka magnetyczna wykonana jest z materiału magnetycznego miękkiego, który charakteryzuje się innymi parametrami magnetycznymi w porównaniu z parametrami magnetycznymi ferromagnetycznego korpusu rdzenia.An exemplary design solution of such a core is presented in the Polish patent application P-363815. In this case, the magnetic insert is used to suppress ferroresonance states of the ferromagnetic core. The magnetic insert is made of a soft magnetic material which has different magnetic parameters compared to the magnetic parameters of the ferromagnetic core body.

Przekładniki napięciowe zawierające rdzenie bezszczelinowe o wysokiej przenikalności magnetycznej, pozwalają na konstrukcje przekładników o zwartej budowie i wysokich klasach pomiarowych. Jednakże rdzenie takich przekładników ulegają nasyceniu przy niewielkiej wartości prądu uzwojenia. Obecność nawet niewielkiej wartości składowej stałej w napięciu powoduje duże przesunięcie punktu pracy przekładnika i możliwość nasycania rdzenia nawet w przypadku, gdy składowa przemienna napięcia nie przekracza wartości znamionowej. Skutkuje to powstaniem znacznych błędów pomiarowych, jak również zwiększeniem wartości skutecznej prądu przekładnika, co w konsekwencji prowadzić może do uszkodzenia cieplnego uzwojenia. Ponadto, łatwość wprowadzenia rdzenia przekładnika w stan nasycenia w przypadku wystą pienia zaburzeń w sieci energetycznej powoduje niebezpieczeń stwo wzbudzenia stanu ferrorezonansowego, zwłaszcza w sieciach z izolowanym punktem gwiazdowym. Wprowadzenie szczeliny powietrznej do rdzenia magnetycznego spowoduje uniknięcie problemu przeciążenia prądowego uzwojenia pierwotnego przekładnika napięciowego, ale obecność tej szczeliny spowoduje powstanie błędu fazowego co w praktyce uniemożliwia spełnienie wymagań dotyczących klasy pomiarowej, zwłaszcza klasy 0.5 oraz 0.2.Voltage transformers with gap-free cores with high magnetic permeability allow for the construction of transformers with a compact structure and high measurement classes. However, the cores of such transformers become saturated at a small value of the winding current. The presence of even a small value of the DC component in the voltage causes a large shift of the transformer operating point and the possibility of saturation of the core even in the case when the AC voltage component does not exceed the rated value. This results in significant measurement errors as well as an increase in the effective value of the transformer current, which in turn may lead to thermal damage to the winding. Moreover, the fact that the transformer core is easily saturated in the event of disturbances in the power network causes the risk of ferroresonant excitation, especially in networks with an isolated star point. The introduction of an air gap to the magnetic core will avoid the problem of current overload in the primary winding of the voltage transformer, but the presence of this gap will cause a phase error, which in practice makes it impossible to meet the requirements for the measurement class, especially class 0.5 and 0.2.

Istotą przekładnika napięciowego, zawierającego rdzeń magnetyczny z uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, którego uzwojenie pierwotne wyposażone jest w zaciski do których przyłącza się przewody sieci energetycznej, zaś uzwojenie wtórne wyposażone jest w zaciski służące do przyłączania wejść układu pomiarowego jest to, że w rdzeniu magnetycznym wykonana jest szczelina powietrzna, a do uzwojenia wtórnego rdzenia magnetycznego włączony jest równolegle układ kompensacji fazy, którego wyjścia połączone są z zaciskami uzwojenia wtórnego.The essence of the voltage transformer containing a magnetic core with primary and secondary windings, the primary winding of which is equipped with terminals to which the power grid conductors are connected, and the secondary winding is equipped with terminals for connecting the inputs of the measuring system an air gap, and a phase compensation system is connected in parallel to the secondary winding of the magnetic core, the outputs of which are connected to the terminals of the secondary winding.

Korzystnie układ kompensacji fazy zawiera kondensator.Preferably, the phase compensation circuit includes a capacitor.

Korzystnie szczelina powietrzna, ma grubość mniejszą niż 1 mm.Preferably, the air-gap is less than 1 mm thick.

Korzystnie szczelina powietrzna usytuowana jest poprzecznie do kierunku strumienia pola magnetycznego w rdzeniu magnetycznym.Preferably, the air gap extends transversely to the direction of the magnetic flux in the magnetic core.

Zaletą przekładnika według wynalazku jest zwiększenie odporności przekładnika napięciowego na obecność, w sposób przejściowy lub trwały, składowej stałej w napięciu na zaciskach uzwojenia pierwotnego przekładnika, co uzyskuje się przez zwiększenie reluktancji rdzenia. Z kolei zwiększenie reluktancji rdzenia magnetycznego uzyskuje się dzięki zastosowaniu szczeliny powietrznej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich parametrów metrologicznych przez zastosowanie układu korekcji fazy. Pozwala to na zbudowanie przekładnika spełniającego wymogi klasy 0.5 oraz 0.2 o zmniejszonej, w stosunku do tradycyjnej konstrukcji, awaryjności spowodowanej uszkodzeniami cieplnymi uzwojenia pierwotnego.The advantage of the transformer according to the invention is to increase the resistance of the voltage transformer to the presence, temporarily or permanently, of a constant voltage component at the terminals of the transformer primary winding, which is achieved by increasing the reluctance of the core. In turn, increasing the reluctance of the magnetic core is achieved through the use of an air gap, while maintaining high metrological parameters through the use of a phase correction system. This allows to build a transformer that meets the requirements of class 0.5 and 0.2 with a reduced failure rate caused by thermal damage to the primary winding, compared to the traditional design.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie pomiarowe w postaci przekładnika napięciowego w widoku, fig. 2 - charakterystykę prądowo-napięciową przekładnika, a fig. 3 - wykres błędu fazowego przekładnika.The subject of the invention is presented in an exemplary embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic view of a measuring device in the form of a voltage transformer, Fig. 2 - current-voltage characteristic of the transformer, and Fig. 3 - a phase error diagram of the transformer.

PL 205 002 B1PL 205 002 B1

Urządzenie pomiarowe w postaci przekładnika napięciowego 1 zawiera rdzeń ferromagnetyczny 2 o kształcie prostokątnym oraz uzwojenia pierwotne 3 i wtórne 4, które nawinięte są koncentrycznie na jedno z ramion rdzenia 2. W rdzeniu 2 uformowana jest poprzeczna szczelina powietrzna 5. Pierwszy z zacisków uzwojenia pierwotnego 3 podłączony jest do przewodu fazowego sieci energetycznej, zaś drugi z zacisków uzwojenia pierwotnego 3 podłączony jest do potencjału ziemi. Do obwodu uzwojenia wtórnego 4 przyłączony jest równolegle obwód układu kompensacji fazy 6, zaś do wyjść obwodu układu kompensacji fazy 6, przyłączone są wejścia układu pomiarowego 7. Układ kompensacji fazy 6 ma tak dobrane parametry pracy, że podczas eksploatacji przekładnika napięciowego powoduje się przesunięcie fazy napięcia z uzwojenia wtórnego 4 przekładnika 1, o kąt równy co do wartości błędowi fazowemu przekładnika 1 i przeciwny co do znaku.The measuring device in the form of a voltage transformer 1 comprises a ferromagnetic core 2 of a rectangular shape and a primary 3 and a secondary winding 4 wound concentrically on one of the core legs 2. A transverse air gap is formed in the core 2 5. The first of the terminals of the primary winding 3 is connected is connected to the phase conductor of the power grid, and the other of the terminals of the primary winding 3 is connected to the ground potential. The phase compensation circuit 6 is connected in parallel to the secondary winding circuit 4, and the measurement circuit inputs 7 are connected to the outputs of the phase compensation circuit 6. The phase compensation circuit 6 has its operating parameters so selected that during the operation of the voltage transformer, the voltage phase is shifted. from the secondary winding 4 of transformer 1, by an angle equal to the value of the phase error of transformer 1 and opposite to the sign.

W układzie kompensacji fazy 6, jako jedno z możliwych wykonań, stosuje się kondensator. Dla przekładników napięciowych o klasie pomiarowej 0.5 i 0.2 szczelina powietrzna wykonana w rdzeniu ferromagnetycznym 1 ma grubość mniejszą od 1 mm.In the phase 6 compensation circuit, a capacitor is used as one of the possible embodiments. For voltage transformers with measurement class 0.5 and 0.2, the air gap in the ferromagnetic core 1 is less than 1 mm thick.

Wpływ obecności szczeliny powietrznej 4 na wypadkową charakterystykę magnesowania rdzenia 1 zobrazowany jest na fig. 2, na której przedstawione są dwie krzywe C1 i C2, stanowiące przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe (I -natężenie prądu, U - napięcie prądu) dla przekładników o tej samej liczbie zwojów, przy czym krzywa C1 dotyczy przekładnika z rdzeniem bez szczeliny powietrznej, a krzywa C2 dotyczy przekładnika z rdzeniem ze szczeliną. Z przedstawionych wykresów widać, iż zastosowanie szczeliny 5 powoduje zmianę kształtu charakterystyki przekładnika, polegającą na znacznym zmniejszeniu stromości charakterystyki w przypadku zastosowania szczeliny powietrznej.The influence of the presence of the air gap 4 on the resultant magnetization characteristics of the core 1 is illustrated in Fig. 2, which shows two curves C1 and C2, which are exemplary current-voltage characteristics (I - current intensity, U - current voltage) for transformers of the same number of turns, the curve C1 relates to a transformer with a core without an air gap, and the curve C2 relates to a transformer with a core with a gap. It can be seen from the presented diagrams that the use of the gap 5 causes a change in the shape of the transformer characteristic, consisting in a significant reduction of the characteristic steepness when the air gap is used.

Na fig. 3 uwidoczniony jest wpływ szczeliny powietrznej o grubości 0.6 mm i układu kompensacji fazy, dla przykładowego przekładnika napięciowego w zależności od obciążenia dla szczeliny, gdzie linia 1 - pokazuje wartość błędu fazowego przekładnika bez szczeliny, linia 2 - pokazuje wartość błędu fazowego przekładnika ze szczeliną, ale bez układu kompensacji fazy, a linia 3 - pokazuje wartość błędu fazowego przekładnika ze szczeliną i układem kompensacji fazy. Przyłączenie układu kompensacji fazy 6 do uzwojenia wtórnego 4 przekładnika napięciowego, powoduje usunięcie efektu powstania błędu fazowego wynikającego z przedstawionej zmiany charakterystyki.Fig. 3 shows the effect of an air gap with a thickness of 0.6 mm and a phase compensation system, for an example voltage transformer depending on the load for the gap, where line 1 - shows the value of the phase error of the transformer without the gap, line 2 - shows the value of the phase error of the transformer from with the gap, but without the phase compensation system, and line 3 - shows the value of the phase error of the transformer with the slot and the phase compensation system. Connecting the phase compensation system 6 to the secondary winding 4 of the voltage transformer removes the phase error effect resulting from the presented change of characteristics.

Claims

Patent claims

1. A voltage transformer containing a magnetic core with a primary winding and at least one secondary winding, where the primary winding is equipped with terminals to which the power grid conductors are connected, and the secondary winding is equipped with terminals for connecting the inputs of the measuring system, characterized by there is an air gap (5) in the magnetic core (2), and the phase compensation system (6) is connected in parallel to the terminals of the secondary winding (4).

2. Voltage transformer according to claim The process of claim 1, characterized in that the phase compensation circuit (6) comprises a capacitor.

3. Voltage transformer according to claim The method of claim 1, characterized in that the air gap (5) has a thickness of less than 1 mm.

4. Voltage transformer according to claim The method of claim 1, characterized in that the air gap (5) is located transversely to the direction of the magnetic flux in the magnetic core (2).