Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Badanie przekaz
ników napięciowych
1. Wiadomości teoretyczne
Przekaz
niki napięciowe, są to przekaz
niki pomiarowe, reagujące na obniżenie się napięcia poniżej wartości
nastawionej (przekaz
niki podnapięciowe) lub jego wzrost powyżej wartości nastawionej (przekaz
niki
nadnapięciowe).
Zadziałanie przekaz
nika podnapięciowego następuje z chwilą zmniejszenia się napięcia poniżej wartości
nastawionej na podziałce, względnie przy zaniku napięcia (odwzbudzenie się przekaz
nika). Następuje wówczas
zamknięcie zestyku. Z chwilą, gdy napięcie osiągnie wartość określoną współczynnikiem powrotu, następuje
wzbudzenie przekaz
nika i rozwarcie zestyku.
Współczynnik powrotu określony jest wzorem:
U
p
k =�
(1)
p
Ur
Gdzie: Ur  napięcie rozruchowe przekaz
nika,
Up  napięcie powrotu przekaz
nika.
Dla przekaz
ników podnapięciowych współczynnik powrotu ma wartość większą od jedności.
Zadziałanie przekaz
nika nadnapięciowego następuje z chwilą wzrostu napięcia ponad wartość nastawioną na
podziałce (wzbudzenie przekaz
nika). Gdy napięcie zmaleje do wartości określonej współczynnikiem powrotu,
następuje odwzbudzenie przekaz
nika i powrót do położenia początkowego. W przekaz
nikach nadnapięciowych
współczynnik powrotu jest mniejszy od jedności.
Od przekaz
ników napięciowych wymaga się: małego poboru mocy, dobrego, bliskiego jedności
współczynnika powrotu, dużej niezawodności.
Aby zapobiec zadziałaniu przekaz
ników napięciowych wskutek krótkotrwałych zmian napięcia,
współpracują one często z przekaz
nikami czasowymi.
Ze względu na zasadę działania rozróżniamy przekaz
niki napięciowe elektromechaniczne (najczęściej
elekromagnetyczne), statyczne i mikroprocesorowe.
1.1. Budowa przekaz
ników napięciowych
1.1.1. Przekaz
niki napięciowe elektromagnetyczne
Przekaz
niki napięciowe elektromagnetyczne wykonane są w oparciu o takie same konstrukcje jak
elektromagnetyczne przekaz
niki prądowe. Inne jest tylko wykonanie elektromagnesu. Oporności uzwojeń są dość
duże, a przekrój przewodów mniejszy. Prąd w uzwojeniu wymuszony jest przez przyłożone napięcie:
U
I =�
(2)
Z
p
Gdzie: I  prąd w uzwojeniu przekaz
nika napięciowego,
Zp  impedancja uzwojenia przekaz
nika,
U  napięcie przyłożone do uzwojenia przekaz
nika.
Aby uzyskać dużą czułość, należy utrzymywać stałą wartość prądu podczas działania przekaz
nika.
Uzwojenie powinno posiadać znaczną przewagę rezystancji nad reaktancją, dzięki czemu zmiana szczeliny
powietrznej podczas ruchu zwory, powodująca wzrost indukcyjności uzwojenia, w niewielkim stopniu będzie
wpływać na zmianę impedancji uzwojenia. Wpływa to na poprawę współczynnika powrotu. Przekaz
niki
napięciowe elektromechaniczne wykonywane są z obrotową zworą. Zwora połączona jest z bębenkiem o
odpowiedniej bezwładności, w celu uniknięcia wibracji zestyku. Zestyk jest połączony równolegle z układem
1
RC, dla zwiększenia zdolności łączeniowej przy prądzie stałym. Cewki przekaz
nika wykonane są przeważnie
jako dwudzielne i mogą być połączone szeregowo lub równolegle, dzięki czemu przekaz
nik ma dwa zakresy
pomiarowe.
Jeżeli napięcie przyłożone do uzwojenia elektromagnesu przekaz
nika przekroczy wartość rozruchową
nadnapięciowego lub wartość powrotu dla przekaz
nika podnapięciowego, powstaje moment pokonujący moment
zwrotny sprężyny, zwora zostaje przyciągnięta i styki ruchome zmieniają swoje położenie. Po obniżeniu napięcia
poniżej wartości rozruchowej dla przekaz
ników podnapięciowych lub poniżej wartości powrotu dla przekaz
nika
nad napięciowego, moment zwrotny sprężyny przezwycięża działanie momentu pochodzącego od strumienia
magnetycznego. Zwora odpada, następuje przełączenie styków przekaz
nika.
1.1.2. Przekaz
niki napięciowe statyczne
Przekaz
niki statyczne w stosunku do przekaz
ników elektromechanicznych posiadają szereg zalet:
-� mały pobór mocy,
-� duża szybkość działania,
-� szeroki zakres nastawień,
-� możliwość otrzymania różnorodnych charakterystyk,
-� duża odporność na wibracje i korozję.
Posiadają jednak liczne wady:
-� mała odporność na przepięcia,
-� zależność parametrów od temperatury i czasu pracy (starzenie się elementów),
-� brak odpowiednich układów zasilania,
-� trudna lokalizacja uszkodzeń.
Przykładem typowego przekaz
nika statycznego jest przekaz
nik typu Ret-1, schemat blokowy
przedstawia rys. 1. Kontrolowane napięcie jest transformowane (T), prostowane (P) i po wyfiltrowaniu (F) jest
porównywane ze stabilizowanym napięciem odniesienia otrzymywanym z diody Zenera. Wartość i znak różnicy
porównywanych napięć określają stan pracy przekaz
nika elektronicznego, sterującego przekaz
nikiem
kontaktronowym, który steruje przekaz
nikiem wyjściowym.
Przekaz
nik Ret-1 w zakresie od minimalnego napięcia skali do napięcia znamionowego pracuje jako
podnapięciowy, a od napięcia znamionowego do maksymalnego napięcia skali, jako nadnapięciowy.
Rys. 1. Schemat blokowy przekaz
nika statycznego RET-1
1.1.3. Przekaz
niki napięciowe mikroprocesorowe
Przykładem przekaz
nika mikroprocesorowego jest RET-410, którego parametry i zasadę działania
zamieszczono w załączniku stanowiącym DTR  Przekaz
nik napięciowo-czasowy okienkowy RET  410
2
1.2. Zastosowanie przekaz
ników napięciowych
1.2.1. Zastosowanie przekaz
ników podnapięciowych
Zastosowanie przekaz
ników podnapięciowych jest oparte głównie na wykorzystaniu zjawiska obniżania się
napięcia podczas zwarć (rys. 2).
Przekaz
niki podnapięciowe znalazły zastosowanie w następujących układach zabezpieczeń:
-� Zabezpieczenie generatorów synchronicznych od przeciążeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi,
-� Zabezpieczenie transformatorów od przetężeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi,
-� Zabezpieczenie silników od obniżenia się napięcia,
-� Układy samoczynnego załączenia rezerwy.
Rys. 2. Przebieg napięć linii trójfazowej podczas zwarć
W celu poprawienia czułości zabezpieczenia nadprądowego generatora od zwarć wewnętrznych, aby lepiej
rozróżniało przetężenia od zwarć, wprowadza się blokadę napięciową. Zabezpieczenie nie może działać w stanie
3
normalnej pracy układu, dlatego napięcie rozruchowe przekaz
ników podnapięciowych powinno spełniać
warunek:
Umin
Ur Ł�
(3)
kb kp nu
Gdzie: Umin - najmniejsza wartość napięcia generatora (0,95UnG),
kb - współczynnik bezpieczeństwa (1,1),
kp - współczynnik powrotu,
nu - przekładnia przekładników napięciowych.
Jednocześnie musi btyć spełniony warunek czułości zabezpieczenia:
U
p
k =�
(4)
p
Ur
Gdzie: Uz - największa wartość napięcia, w przypadku zwarcia na końcu odcinka o największej
impedancji, przyłączonego do szyn zbiorczych generatora,
Kc - współczynnik czułości (1,3  1,4).
Zabezpieczenie transformatora od przetężeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi jest uzupełnione blokadą
napięciową w celu poprawienia czułości zabezpieczenia i odstrojenia od prądów przeciążeniowych (rys. 3).
Napięcie rozruchowe przekaz
ników podnapięciowych powinno spełniać warunek:
kb Umin
Ur Ł�
(5a)
kp nu
kc Uz
Ur ł�
(5b)
nu
gdzie: Umin - minimalne napięcie robocze zasilające transformator (0,9  0,95) UnT,
Uz - największa wartość napięcia zwarcia, przy zwarciu na końcu odcinka o największej
impedancji, przyłączonego do szyn zbiorczych zasilanych przez transformator,
kb - współczynnik bezpieczeństwa,
kp - współczynnik powrotu przekaz
ników podnapięciowych,
kc - współczynnik czułości (1,3  1,4),
nu - przekładnia przekładników napięciowych.
Rys. 3 Zabezpieczenie nadprądowo  zwłoczne transformatorów uzupełnione układem blokady napięciowej
4
Zabezpieczenie silników od skutków obniżenia się napięcia wykonywane jest jako podnapięciowe zwłoczne
(rys. 4).
Napięcie rozruchowe przekaz
ników podnapięciowych przyjmuje się w przybliżeniu (0,6  0,7) Un.
Zabezpieczenie to działa ze zwłoką 0,5s dla silników nie podlegających samorozruchowi oraz (6  10)s dla
silników podlegających samorozruchowi.
Rys. 4. Zabezpieczenie silników wysokiego napięcia od zaniku napięcia: a) schemat ideowy, b)
obwody napięciowe
W układzie Samoczynnego Załączenia Rezerwy przekaz
niki podnapięciowe kontrolują napięcie na szynach
rezerwowanych. Napięcie rozruchowe dobiera się z zależności:
Us
Ur Ł�
(6)
kb kp nu
gdzie: Us - napięcie na szynach zbiorczych podczas samorozruchu silników (0,3  0,6) Un,
Uz - największa wartość napięcia zwarcia, przy zwarciu na końcu odcinka o największej
impedancji, przyłączonego do szyn zbiorczych zasilanych przez transformator,
kb - współczynnik bezpieczeństwa (1,1  1,3),
kp - współczynnik powrotu przekaz
ników podnapięciowych,
nu - przekładnia przekładników napięciowych.
1.2.2. Zastosowanie przekaz
ników nadnapięciowych
Przekaz
niki nadnapięciowe znalazły zastosowanie w następujących układach zabezpieczeń:
-� zabezpieczenia nadnapięciowe zerowe sieci o małym prądzie zwarcia z ziemią,
-� zabezpieczenia generatorów od zwarć międzyzwojowych,
-� zabezpieczenia generatorów od pojedynczych zwarć doziemnych w obwodzie wzbudzenia,
-� zabezpieczenia hydrogeneratorów od podwyższenia napięcia w uzwojeniu stojana,
-� układy Samoczynnego Załączenia Rezerwy.
W zabezpieczeniach nadnapięciowych zerowych linii średniego napięcia, wspólny dla całej sieci układ
kontroli izolacji oparty jest na pomiarze składowej zerowej napięcia (rys. 5). W czasie normalnej pracy napięcie
Uab = 0 (uchyby przekładni oraz trzecia harmoniczna napięcia są pomijane).
5
Rys. 4.5 Schemat układu kontroli stanu izolacji sieci
Przy doziemieniu napięcie Uab osiąga wartość:
3U0 3U f
Uab =� =�
(7)
nut nut
gdzie: nut - przekładnia przekładników napięciowych odniesiona do układu otwartego trójkąta.
Zasada zabezpieczania generatorów od zwarć międzyzwojowych oparta jest na pomiarze napięcia miedzy
sztucznym punktem zerowym uzwojeń pierwotnych przekładników napięciowych oraz oraz punktem zerowym
uzwojeń generatora (rys. 6). W przypadku zwarć zwojowych pojawia się napięcie w obwodzie otwartego trójkąta
przekładników napięciowych, a więc i na zaciskach przekaz
nika nadnapięciowego.
Rys. 6. Zabezpieczenie od zwarć międzyfazowych generatora
Zabezpieczenie hydrogeneratora od podwyższenia napięcia w uzwojeniu stojana realizowane jest jako
nadnapięciowe zwłoczne, włączone na napięcia międzyprzewodowe. Zwłoka czasowa zabezpieczenia
przyjmowana jest na poziomi 0,5s.
Napięcie rozruchowe zabezpieczenia dobiera się z zależności:
n
Ur =� (�1,2 ��1,4)�U
(8)
nu
gdzie: Un - napięcie znamionowe hydrogeneratora.
W zabezpieczeniu generatora od pojedynczych zwarć doziemnych w obwodzie wzbudzenia przekaz
nik
nadnapięciowy jest włączony między dowolny punkt obwodu wzbudzenia i ziemię (rys. 7). W przypadku zwarcia
6
w obwodzie wzbudzenia przekaz
nik jest zasilany napięciem występującym między punktem zwarcia, a punktem
przyłączenia przekaz
nika do opornika.
Rys. 7. Schemat układu do kontroli stanu izolacji obwodu wzbudzenia hydrogeneratora:
Wgs  wirnik generatora, Wz - wzbudnica
W układach Samoczynnego Załączenia Rezerwy przekaz
niki nadnapięciowe kontrolują napięcie w torze
rezerwowym, aby dopuścić jego załączenie tylko w przypadku, gdy jego wartość umożliwi samorozruch
silników:
Ur ł� kb (�Ukr +� D�U)�
(9)
gdzie: Ukr - napięcie utyku silnika,
D�U - spadek napięcia między silnikami i stacją rozdzielczą (miejsce pomiaru), spowodowany
samorozruchem silników,
Kb - współczynnik bezpieczeństwa (1,05  1,1).
2. Przebieg pomiarów
2.1. Dane techniczne przekaz
ników
Na podstawie tabliczki znamionowej i dokumentacji techniczno-ruchowej należy określić znamionowe dane
techniczne przekaz
nika: typ, napięcie znamionowe, zakres napięć nastawczych, klasa.
2.2. Wyznaczanie napięcia rozruchu i powrotu
Pomiary należy przeprowadzić w układzie, którego schemat przedstawiono na rys. 8.
7
Rys. 8. Schemat układu pomiarowego do sprawdzania zabezpieczenia napięciowego RET-410
2.2.1. Badanie członu nadnapięciowego
Przed przystąpieniem do pomiarów należy nastawić odpowiednio:
- czasy t1 = 0s, t2 = 0s;
- napięcie U1=10V;
- napięcie U2 = właściwą wartość pomiarową (z przedziału 15V .. 90V).
Regulując od zera wartość napięcia przy pomocy autotransformatora osiąga się napięcie, przy którym
następuje wejście w stan normalnej pracy (zapalona kontrolka czerwona).
Dalsze zwiększanie napięcia, powyżej napięcia nastawionego, powoduje przełączenie odpowiednich
przekaz
ników oraz zapalenie się kontrolki (U>U2) i wyłącznie kontrolki (U1którym to następuje jest napięciem rozruchu przekaz
nika.
Następnie obniżając napięcie pomiarowe do wartości, przy której następuje przełączenie zestyków oraz
zapalenie kontrolki (U1Pomiary należy powtórzyć trzykrotnie dla każdej nastawianej wartości rozruchowej przekaz
nika, wyniki
zestawić w tabl. 1.
Na podstawie pomiarów należy określić wartości współczynnika powrotu przekaz
nika ze wzoru (1) oraz
wartości uchybu względnego podziałki członu nadpradowego:
Ir -� Inast
D�I =� 100% (10)
Inast
i rozrzutu względnego wartości rozruchowej:
Ir max -� Ir min
r1 =� 100% (11)
Inast
8
Tabl. 1. Wyniki pomiarów sprawdzających przekaz
nika nadnapięciowego
Dane przekaz
nika: Typ Nr fabr.
Un zakres
Unast Ur Ur śr Up Up śr kp r
D�U
V V V V V - % %
2.2.2. Badanie członu podnapięciowego
Przed przystąpieniem do pomiarów należy nastawić odpowiednio:
- czasy t1 = 0s, t2 = 0s;
- napięcie U2=90V;
- napięcie U1 = właściwą wartość pomiarową (z przedziału 10V .. 85V).
Regulując od zera wartość napięcia przy pomocy autotransformatora osiąga się napięcie, przy którym
następuje wejście w stan normalnej pracy (zapalona kontrolka czerwona) (U1Zmniejszając napięcie, powyżej napięcia nastawionego U1, następuje pobudzenie przekaz
nika, a w
konsekwencji przełączenie odpowiednich przekaz
ników oraz zapalenie się kontrolki (Ukontrolki (U1Następnie zwiększając napięcie pomiarowe do wartości, przy której następuje przełączenie zestyków
oraz zapalenie kontrolki (U1Pomiary należy powtórzyć trzykrotnie dla każdej nastawianej wartości rozruchowej przekaz
nika, wyniki
zestawić w tabl. 1.
2.3. Pomiar czasu zadziałania
Pomiaru czasu zadziałana dokonuje się w układzie z rys. 8.
Pomiary przeprowadzamy dla wskazanych przez prowadzącego ćwiczenie nastawień na podziałce
czasowej. Napięcie w obwodzie pomiarowym ustalić przed pomiarami na wartość o 10V wyższą od wartości
nastawionej U1 w przypadku badania zabezpieczenia podnapięciowego lub o 10V niższą od nastawionej
wartości rozruchowej U2. Czas należy mierzyć od momentu wyłączenia obwodu napięciowego w przypadku
badania zabezpieczenia podnapięciowego lub po załączeniu dodatkowego napięcia dla zabezpieczenia
nadnapięciowego - do zamknięcia (otwarcia) zestyku zwłocznego. Dla każdego nastawienia pomiar wykonać
trzykrotnie, a wartości średnie zestawić w tabl. 2.
Na tej podstawie wyznaczyć uchyb względny podziałki członu czasowego:
tzadz -� tnast
D�t =� 100% (12)
tnast
oraz rozrzut względny:
tr max -� tr min
r1 =� 100% (13)
tnast
9
Tabl. 2. Wyniki pomiarów sprawdzających podziałkę czasową przekaz
nika napięciowego
Dane przekaz
nika: Typ: Nr fabr.
Nastawienia: Unast Uzw
Lp. tnast tzadz tśr rt
D�t
- s s s % %
3. Sprawozdanie z ćwiczenia
Sprawozdanie z ćwiczenia winno zawierać:
a) Dane techniczne badanych przekaz
ników oraz uwagi o ich stanie mechanicznym i elektrycznym.
b) Schematy układów pomiarowych.
c) Wyniki pomiarów przekaz
ników zestawione w tablicach.
d) Dyskusję otrzymanych wyników i wnioski.
10