SE439201B - Kapacitiv spenningsdelare - Google Patents

Description

7908901-7 1 En likspänning över mätkondensatorn kan t.ex. uppträda när en primär växelspänningsledning frånkopplas i ett ögonblick, i vilket växelspänningen inte har nollgenomgång. Den på led- ningen då kvarvarande spänningen leder till en restladdning, även kallad likspänningskomponenten, vilken medför en lik- spänning över mätkondensatorn via den till primärspänningen anslutna kondensatorn. Om vid närvaron av en sådan likspän- ning över mätkondensatorn spänningen skulle återvända på nytt efter några få perioder och en kortslutning skulle ske omedelbart efteråt, medan likspänningen ännu icke är bort- ledd, kommer en nollgenomgång av mätsignalen följaktligen att ske först efter några få perioder, för vilken nollgenom- gång ett fjärrelä reagerar. Detta innebär emellertid att re- läet reagerar för sent. Även överspänningar på de primära växelspänningsledningarna kan leda till restladdningar och likspänningar över mätkondensatorn.

För en riktig verkan av fjärreläer är alltså en oförvrängd återgivning av ändringarna i primärspänningen nödvändig.

Vid den kända spänningsdelaren är därför en läckimpedans inkopplad parallellt med mätkondensatorn, varigenom likspän- ningen kommer att försvinna fort nog.

Användningen av en läckimpedans förhindrar i själva verket uppkomsten av en otillåtlig fördröjning i verkan av skydds- organ bland annat under de ovannämnda förhållandena, men denna användning har även den skadliga effekten att det sker en fasförskjutning av mätsignalen med avseende på den primä- ra växelspänningen. Som ett resultat därav kommer det att ske en fördröjd svarsverkan av skyddsorganen, t.ex. vid en 7908901-7 kortslutning i den primära växelspänningskretsen. Förutom en fasförskjutning kommer mätsignalen även att uppvisa transienta förlopp till följd av läckimpedansen, vilka för- lopp såsom torde vara uppenbart troligtvis kommer att stö- ra en riktig verkan av skyddssystemet för den primära väx- elspänningen.

De ovannämnda olägenheterna undviks genom den kapacitiva växelspänningsdelaren enligt uppfinningen, som kännetecknas av närvaron av en kompenseringsanordning för mottagning av mätsignalen och för kompensering av likspänningskomponen- ten i mätsignalen med den härledda likspänningskom- ponenten.

Vid den kapacitiva växelspänningsdelaren enligt uppfinning- en kommer likspänningskomponenten i mätsignalen, dvs. ladd- ningen på mätkondensatorn, i själva verket att urladdas via en läckimpedans, som insatts för detta syfte, men i avvak- tan därpå kommer den av nämnda laddning förorsakade lik- spänningskomponenten i mätsignalen att omedelbart kompense- ras och förbli kompenserad ända tills laddningen försvinner.

Det ovan använda uttrycket "omedelbart" betyder inom en kort tid i jämförelse med tiden för en period som vid 50 perio- der uppgår till 20 ms.

I en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning be- står kompenseringsanordningen av en kompenseringskondensator och en parallellt därmed kopplad läckimpedans, vilkas gemen- samma anslutningskontakt är ansluten till den nämnda refe- rensspänningen; en strömställareanordning för tillföring av en given ytterligare referensspänning till den andra gemen- samma anslutningskontakten för kompenseringskondensatorn och den parallellt därmed kopplade läckimpedansen, vilken ström- ställareanordning kan regleras av en från den sanna lik- spänningskomponenten härledd signal, varvid värdet av den nämnda ytterligare referensspänningen och tiden för till- slagning av strömställareanordningen är vald så att spänning- 7908901-7 en på kompenseringskondensatorn snabbt kan kompensera lik- spänningskomponenten i mätsignalen; en differentialförstär- kare med en ingång, till vilken mätsignalen tillförs, och en annan ingång, till vilken spänningen på kompenserings- kondensatorn tillförs, medan den med avseende på likspän- ningskomponenten kompenserade utsignalen tillförs till reg- leranordningen. Med avseende på absolutvärdet kan spänning- en på kompenseringskondensatorn göras lika med den sanna likspänningskomponenten på mätkondensatorn. Differentialför- stärkaren kan då ha en förstärkningsfaktor av l för båda signalerna.

Det bör påpekas att GB,A 2 007 048 även föreslår en kapacitiv växelspän- ningsdelare, som har en tillkommande kondensator. Med hjälp därav genereras det två skilda signaler, dvs. en smalbands- -grundvågssignal, som därför motsvarar den sanna växelspän- ningskomponenten, och en bredband-signal som även innefat- tar likspänningskomponenten. Båda kan tjäna såsom en regler- signal, under det att den senare kan tjäna som en mätsignal för övervaknings- eller skyddsändamål. Reglersignalerna bringar regleranordningen att eliminera likspänningskompo- nenter som eventuellt finns i bredbandsignalen. Den i de ovannämnda patentansökningarna beskrivna metoden för erhållan- de av tvâ mer eller mindre oberoende kanaler med hjälp av en högspänningskondensator kan stöta på svårigheter i vissa situationer vad beträffar överhörning eller det praktiska utförandet. Ehuru en hög grad av oberoende mellan de båda nämnda signalerna kan uppnås genom att välja kapacitanserna lämpligt, kvarstår behovet av en kapacitiv växelspänningsde- lare, som medger fullständigt oberoende. Detta oberoende kan erhållas med hjälp av en dubbel spänningsdelare, vilket även är ett föremål för de ovannämnda patentansökningarna. I det- ta fall kan emellertid praktiska invändningar uppstå, spe- ciellt när mätkondensatorn har en betydande kapacitans, i 7908901-7 vilket fall problem uppstår till följd av användningen av allmänt föredragna halvledande strömställare, emedan till- och frånslagningsströmmarna blir alltför stora. Detta är t. ex. fallet när man moderniserar en gammal CVT-mätanordning, i vilken en stor tillkommande kondensator måste insättas i seriekopplingen för att skapa en tillkommande mätpunkt.

I praktiken blir det då mera attraktivt att använda en enda fast läckimpedans.

Det är ett särdrag hos den kapacitiva växelspänningsdelaren enligt foreliggande uppfinning att åstadkomma både en för- enklad praktiskzmöjlighet och ett fullständigt oberoende av båda de ovannämnda signalerna. För spänningsdelaren enligt föreliggande uppfinning är reglerhastigheten åtminstone li- ka med den hos den bästa utföringsformen enligt den för" ut nämnda GB-A-2 007 043, medan bandbredden förblir mer än tillräcklig för det avsedda ändamålet.

Vid spänningsdelaren enligt föreliggande uppfinning elimine- ras inte den ej önskade laddningen på mätkondensatorn inom en kort tid genom kortslutning av denna kondensator med hjälp av en strömbrytare utan tvärt/om kompenseras likspän- ningskomponenten på kondensatorn med t.ex. en lika hög spän- ning av samma eller motsatt potential genom att båda spän- ningarna kombineras i en differentialförstärkare.

Uppfinningen skall nu beskrivas utförligare med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka några utföringsformer är visade som exempel. Fig. 1 visar en första utföringsform av en kapacitiv växelspänningsdelare enligt föreliggande uppfin- ning i kombination med en därtill hörande regleranordning.

Fig. 2 visar en med avseende på fig. l modifierad utförings- form av den kapacitiva växelspänningsdelaren enligt före- liggande uppfinning. Fig. 3 visar en föredragen utförings- form, vid vilken en andra differentialförstärkare har till- lagts. 7908901-7 6 Liksom vid den kända anordningen och vidëfibrdnhmßïnacflfliqt den förut nämnda GB-A-2 007 048 spänningsdelaren, som omfattar en seriekoppling av konden- är den kapacitiva växel- satorer Cl och C2 och en däröver inkopplad läckimpedans Rl, anordnad mellan en primärspänning Vp och en referensspän- ning, t.ex. jord. Läckimpedansen Rl skall ha ett värde valt så stort att fasfelet i signalen i kondensatorernas Cl och C2 föreningspunkt kan försummas eller kan enkelt kompense- ras för växelspänningsfrekvensen.

När man antar att faskorrektionen kan utelämnas passerar sig- nalen i kondensatorernas Cl och C2 föreningspunkt i före- liggande utföringsform först förstärkaren Vl, i detta fall en differentialförstärkare, varefter signalen direkt anlän- der såsom mätsignalen B till jämförelsekretsens D ingång 2.

Förstärkarens Vl utsignal tillföres för övrigt till ett lik" spänningsspärrfilter Fl, varefter signalen anländer till jämförelsekretsens D första ingång som en smalband-grundvåg- signal. I denna jämförelsekrets D jämföres de båda signaler- I na med varandra för att bestämma en likspänningskomponent i bredband-mätsignalen B. Ä I detta fall omfattar kompenseringskretsen den redan nämnda differentialförstärkaren V1, kompenseringskondensatorn C3 med den parallellt därmed anordnade läckimpedansen R2 samt ett antal tillkommande motstånd R3 och R4 och strömställa- re Sl och S2.

En föreningspunkt mellan kompenseringskondensatorn C3 och läckimpedansen R2 är ansluten till en referensspänning, som även kan vara jord i detta fall. Den andra föreningspunkten är ansluten till differentialförstärkarens andra ingång.

Till denna andra föreningspunkt är även två motstånd R3 och R4 kopplade, vilka vart och ett är anslutet till varsin för- bindningsledare med hjälp av strömställarna Sl respektive S2, I vilka i sin tur är anslutna till tillkommande referensspän- dningar Vrefl respektive Vrefz. Dessa strömställare S1 och , ___.. 7908901-7 7 S2 kan pâverkas av jämförelsekretsens D utsignal, dvs. av en signal beroende på den av jämförelsekretsen bestämda likspänningskomponenten. Denna likspänningskomponent till- föres först till en logisk beslutskrets Bl. Denna logiska beslutskrets har försetts med ett flertal utgångar. Var och en av dessa utgångar mottar en signal som motsvarar en för- utbestämd storlek och polaritet av likspänningskomponenten, och en av dessa utsignaler kan slå till strömställaren Sl eller S2, varefter referensspänningen Vrefl eller Vrefz tillförs till föreningspunkten mellan kompenseringskonden- satorn C3 och den med differentialförstärkaren Vl förbundna läckimpedansen R3. På kompenseringskondensatorn C3 uppbyggs därigenom en lika stor likspänning som är närvarande på kon- densatorn C2. Uppbyggnaden av denna kompenseringsspänning är beroende på värdet av motstånden R3 och R4. Dessa värden skall väljas med hänsyn därtill och beroende på den önskade kompenseringshastigheten. Detsamma gäller för värdet av re- ferensspänningarna Vrefl och Vrefz.

När likspänningarna på kondensatorerna C2 och C3 har blivit lika, kommer differentialförstärkaren Vl inte längre att in- nehålla en likspänningskomponent i sin utsignal, dvs. den önskade mätsignalen. Då kommer båda de till jämförelsekret- sens D ingångar 1 och 2 tillförda signalerna fortfarande en- dast att bestå av den sanna växelspänningssignalen. Jämför- elsekretsen D kommer därför inte längre att detektera någon likspänningskomponent, varför strömställarna S1 och/eller S2 återigen öppnas.

Ovan har angetts att en läckimpedans R2an0rdnatSöver kom- penseringskondensatorn C3. Läckimpedansen Rl över mätkonden- satorn C2 är av ett så högt värde att gränsfrekvensen lig- ger tillräckligt långt under frekvensen för den växelspän- ning som skall mätas för att hålla de introducerade fas- och amplitudfelen på en låg nivå. Detta innebär emellertid en stor tidskonstant. Kondensatorn C2 kommer därför att urladdas långsamt genom motståndet Rl, varigenom likspänningskompo- 7908901-7 8 nenten i föreningspunkten Cl, C2 sålunda kommer att minska gradvis.

~Kondensatorn C3 kan urladdas genom läckimpedansen R2, var- vid den senare läckimpedansen företrädesvis har ett sådant värde, att tidskonstanten R2- C2 blir lika stor som tidskon- stanten Rl.C2. Efter laddning av kondensatorn C3 till den rätta kompenseringsspänningen kommer det i princip icke längre att erfordras några korrektioner, ty såväl konden- satorn C2 som kondensatorn C3 kommer att urladda genom de med varandra förenade läckimpedanserna Rl respektive R2 längs likartade kurvor. I händelse av olika tidskonstanter kommer det att ske korrektioner efter någon tid för att bi- behålla en fullständig kompensation.

Vid utföringsformen i fig. 2 används endast en strömstäl- lare Sl, som tillför en referensspänning till kondensatorn C3 genom motståndet R3. I detta fall består referensspän- ningen av skillnaden mellan bredband-mätsignalen, dvs. sig- nalen med den sanna växelspänningskomponenten och likspän- ningskomponenten och den av likspännings-spärrfiltret Fl tillförda signalen, dvs. den sanna växelspänningskomponenten.

Detta betyder att Vref och den av jämförelsekretsen D här- ledda likspänningskomponenten i allmänhet blir lika. Vid de- tektering av en likspänningskomponent i bredband-signalen kommer strömställaren S1 att slutas, varigenom kondensatorn C3 snabbt laddas till skillnadsspänningen, dvs. jämförelse- kretsens D utspänning. Likspänningskomponenten i bredband- -mätsignalen kompenseras då och strömställaren Sl öppnas återigen. Kondensatorerna C2 och C3 urladdas igen med samma hastighet.

När kondensatorn C3 snabbt laddas till referensspänningen genom att sluta en av strömställarna Sl och S2, kommer tran- sienta förlopp att inträffa. Dessa genom laddning av konden- satorn C3 förorsakade transienta förlopp kan emellertid nå fram till den sanna växelspänningssignalen genom differential- 7908901-7 förstärkaren Vl, varvid den senare signalen tillföres till jämförelsekretsens D ingång l över likströms-spärrfiltret Fl. Denna olägenhet kan undvikas genom att införa en andra differentialförstärkare V2 och genom att avleda summerings- punkten uteslutande till den gren av bredband-signalen som tillförs till jämförelsekretsens D ingång 2. I detta fall tjänar differentialförstärkaren Vl som en buffertförstärka- re. De nämnda förloppen, som framkallas genom att snabbt ladda kondensatorn C3, kommer då endast att vara närvarande i den senare signalen och icke i den signal, som tillföres till jämförelsekretsens D andra ingång genom spärrfiltret Fl. Följaktligen kommer denna signal sålunda alltid att va- ra en noggrannare riktig smalband-grundvågsignal än i de föregående utföringsformerna, vid vilka det efter filtrering i Fl ännu kan finnas en rest av transienter i A, när likspän- nings-spärrfiltrets Fl bandbredd icke är särskilt liten.

I utföringsformen i fig. l liksom i de övriga utföringsfor- merna kan differentialförstärkaren V1 ha en förstärknings- faktor av l.

Det behöver icke sägas att i laddningskretsen för kondensa- torn C2, vilken krets representeras av strömställarna Sl res- pektive S2 och motstånden R3 respektive R4, är många varia- tioner möjliga och flera har avhandlats i den förut nämnda GB-A-2 007 048.

De viktiga fördelarna med anordningen enligt uppfinningen är att prestanda, dvs. verkningshastigheten blir åtminstone den- samma som de hos en anordning innefattande två parallella kapacitiva växelspänningsdelare enligt t.ex. fig. 7 i GB-A-2 007 048. För övrigt kan en spän- i ningsdelare enligt uppfinningen enkelt kopplas till en exi- sterande spänningsdelare utan väsentliga modifikationer av spänningsdelaren som sådan, medan en sådan väsentlig modifi- kation med visshet erfordras t.ex. vid spänningsdelaren en- ligt GB-A-z nov 048. 7908901-7? l0 De ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfin- ningens grundtanke. u

Claims (8)

1. 0 15 20 25 30 35 H 7908901-7 PATENTKRAV l. Kapacitiv spänningsdelare innefattande en kondensa- torer (Cl och C2) innehållande serieströmkrets, av vilka en kondensator (C2) tjänar som mätkondensator, vilken serieströmkrets är avsedd att inkopplas mellan en primär- spänning och en referensspänning varigenom en mätsignal uttages från mätkondensatorn (C2) som en sekundärspänning, vilken mätsignal kan bestå av en växelspänningskomponent och en likspänningskomponent och varvid en läckimpedans (R1) är inkopplad över mätkondensatorn (C2) för urladd- ning av likspänningskomponenten, och ytterligare inne- fattande en regleranordning för mottagning av mätsig- nalen och härledning av likspänningskomponenten från mätsignalen, k ä n n e t e c k n a d av en kompen- seringsanordning (Vl,C3,R2,R3,R4,Sl,S2) för mottagning av mätsignalen och för kompensering av likspännings- komponenten i mätsignalen med den härledda likspännings- komponenten.

2. Kapacitiv spänningsdelare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att kompenseringsanordningen består av en kompenseringskondensator (C3) och en paral- lellt därmed kopplad läckimpedans (R2), vilkas gemensamma anslutningskontakt är ansluten till den nämnda referens- spänningen; en strömställareanordning (Sl,S2) för till- föring av en given tillkommande referensspänning till den andra gemensamma anslutningskontakten för kompenserings- kondensatorn (C3) och den parallellt därmed kopplade läck- impedansen (R2), vilken strömställareanordning är reglerbar av en från den härledda likspänningskomponenten härledd signal, varvid värdet av den nämnda tillkommande referens- spänningen och tiden för tillslagning av strömställare- anordningen är vald så att spänningen över kompenserings- kondensatorn (C3) snabbt kan kompensera likspännings- komponenten i mätsignalen; en differentialförstärkare (Vl eller V2) med en ingång, till vilken mätsignalen till- 10 15 20 25 30 35 7908901-7 m föres och en annan ingång, till vilken spänningen på _ kompenseringskondensatorn (C3) tillföres, medan den med avseende på likspänningskomponenten kompenserade ut- signalen tillföres till regleranordningen.

3. Kapacitiv spänningsdelare enligt krav 2, k ä n n e t_e c k n a d av att kompenseringskondensa- torn (C3) och den med denna förbundna läckimpedansen (R2) har samma tidskonstant som mätkondensatorn (C2) och den parallellt därmed kopplade läckimpedansen (Rl).

4. Kapacitiv spänningsdelare enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att strömställareanordningen (Sl,S2) består av ett flertal parallella strömställare (Sl,S2), av vilka vardera är ansluten till varsin förut- bestämd referensspänning.

5. Kapacitiv spänningsdelare enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att den tillkommande referens- spänningen är lika med den härledda likspänningskomponenten.

6. Kapacitiv spänningsdelare enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att en buffertför- stärkare (Vl) är inkopplad mellan mätkondensatorn (CZ) och differentialförstärkaren (V2).

7. Kapacitiv spänningsdelare enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att regleranordningen består av en jämförelsekrets (D) med en ingång, vilken genonlett likspänningsispärrfilter (F1) tillföres den likspänningsfria växelspänningssignalen, som härletts från mätsignalen och med en annan ingång, vilken tillföres den fullständiga mätsignalen medan strömställareanordningen (Sl,S2) för kompenseringskondensatorn (C3) regleras av utsignalen s med hjälp av ett logiskt beslutsorgan (Bl). _d 7908901-7 ID

8. Kapacitiv spänningsdelare enligt krav 6 och 7, k ä n n e t e c k n a d av att likspännings~spärr- filtrets (Fl) ingång är direkt förbunden med buffert- förstärkarens (V1) utgång.