Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa

Ćwiczenia laboratoryjne

Instrukcja do ćwiczenia

Autor: dr inż. Sergiusz Boron

Gliwice, czerwiec 2009

Badanie przekładnika prądowego

-2-

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową, właściwościami i podstawowymi

parametrami indukcyjnych przekładników prądowych stosowanych do zasilania obwodów

wtórnych i pomocniczych w rozdzielnicach oraz z metodami i warunkami ich badania.

W zakres ćwiczenia wchodzą wybrane próby i badania, które mogą być przydatne dla

użytkowników przekładników prądowych stosowanych w kopalnianych układach

elektroenergetycznych.

1. Uwagi wstępne

Przekładnik prądowy jest to przetwornik służący do zasilania przyrządów pomiarowych,

mierników, przekaźników i podobnych aparatów, w którym prąd wtórny, w normalnych

warunkach pracy, jest praktycznie proporcjonalny do prądu pierwotnego. przedmiotem

niniejszego ćwiczenia jest badanie przekładników prądowych indukcyjnych, czyli

transformatorów prądowych. Do zadań przekładników prądowych należy:

• przetwarzanie prądów pierwotnych, w tym również o znacznych wartościach, na

prądy wtórne o wartościach znormalizowanych, co umożliwia stosowanie

ujednoliconych przyrządów pomiarowych,

• galwaniczna separacja obwodów pomiarowych i automatyki elektroenergetycznej od

obwodów pierwotnych (głównych torów prądowych) układu elektroenergetycznego,

co pozwala na bezpieczną obsługę przyrządów pomiarowych, regulacyjnych

i zabezpieczeń, • dostarczanie określonych sygnałów układom automatyki elektroenergetycznej poprzez

sumowanie prądów wtórnych (w tym również pochodzących z różnych punktów

układu elektroenergetycznego) przekładników połączonych w odpowiednie układy.

Z uwagi na sposób wykonania uwzględniający przystosowanie do określonych warunków

środowiskowych wyróżnia się przekładniki :

• wnętrzowe,

• napowietrzne,

natomiast w zależności od rodzaju użytego materiału izolacyjnego przekładniki dzieli się na:

• suche (z izolacją porcelanową, papierową, kondensatorową, żywiczną lub z innego

tworzywa sztucznego),

• małoolejowe (z izolacją papierowo-olejową).

Z uwagi na sposób mocowania przekładników prądowych można je podzielić m.in. na:

• wsporcze, mocowane podstawą do konstrukcji nośnej,

• przepustowe, stosowane do połączenia obwodów oddzielonych ścianami,

• szynowe, przystosowane do nałożenia na szynę sztywną, będącą jednocześnie

jednozwojowym uzwojeniem pierwotnym.

Główne elementy przekładnika to uzwojenie pierwotne oraz jedno lub kilka uzwojeń wtórnych nawinięte na wspólnym rdzeniu. Uzwojenie wtórne przekładnika włącza się szeregowo w tor prądowy pierwotny, przy czym z uwagi na fakt, że impedancja przekładnika

jest kilka rzędów wielkości mniejsza od impedancji obwodu do którego przekładnik jest

włączony, parametry i stan obciążenia strony wtórnej przekładnika praktycznie nie wpływają na prąd w obwodzie pierwotnym. Jeżeli obwód magnetyczny przekładnika pracuje na

liniowej części charakterystyki magnesowania, prąd w uzwojeniu wtórnym I2 jest praktycznie

proporcjonalny do prądu w uzwojeniu pierwotnym I1, przy czym zachodzi zależność

2211 zIzI ≈ (1),

-3-

gdzie z1 i z2 oznaczają liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Wśród najważniejszych parametrów przekładników prądowych należy wymienić:

znamionowy prąd pierwotny Inp, przy czym znormalizowanymi wartościami są 10 – 12,5 –

15 – 20 – 25 – 30 – 40 – 50 – 60 – 75 A i ich dziesiętne wielokrotności i części (wartości

zalecane są podkreślone),

znamionowy prąd wtórny Ins, przy czym znormalizowanymi wartościami są 1 A, 2 A i 5 A,

wartością zalecaną jest 5 A,

przekładnia znamionowa Kn, równa stosunkowi znamionowych prądów pierwotnego

i wtórnego:

ns

np

nI

IK = , np. Kn=100/5 A (2),

przekładnia rzeczywista – stosunek rzeczywistego prądu pierwotnego Ip do rzeczywistego

prądu wtórnego Is,

moc znamionowa – wartość mocy pozornej (wyrażona w woltoamperach), którą przekładnik

jest zdolny zasilać obwód wtórny przy znamionowym prądzie wtórnym i obciążeniu

znamionowym (przy którym określone są wymagania w zakresie dokładności przekładnika);

znormalizowanymi wartościami mocy znamionowej są 2,5 – 5 – 10 – 15 – 30 VA

(produkowane mogą być również przekładniki o większej mocy znamionowej, np. 45, 60 lub

90 VA),

znamionowy krótkotrwały prąd cieplny Ith, – wartość skuteczna prądu pierwotnego, który

przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać przez 1 s bez

uszkodzenia,

znamionowy prąd dynamiczny Idyn, – wartość szczytowa prądu pierwotnego, który

przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia

elektrycznego lub mechanicznego w wyniku działania sił elektromagnetycznych,

błąd prądowy (błąd przekładni) – błąd, który przekładnik wprowadza do pomiaru prądu,

wynikający z tego, że przekładnia rzeczywista nie jest równa przekładni znamionowej; błąd

wyrażony w procentach jest określony wzorem:

( )

p

psn

%I

100IIKI

⋅−=∆ (3),

błąd kątowy – kąt fazowy między wektorami prądów pierwotnego i wtórnego,

błąd całkowity – wartość skuteczna prądu w stanie ustalonym, będącego różnicą pomiędzy

chwilowymi wartościami rzeczywistego prądu wtórnego is pomnożonymi przez znamionową przekładnię przekładnika a chwilowymi wartościami prądu pierwotnego ip, przy oznaczeniu

kierunku przepływu prądów pierwotnego i wtórnego, zgodnymi z przyjętą zasadą oznaczania

zacisków; błąd całkowity jest wyrażany w procentach wartości skutecznej prądu pierwotnego,

zgodnie z zależnością:

∫ −=

T

0

2

psn

p

c dt)iiK(T

1

I

100ε (4),

gdzie: T – czas trwania jednego okresu.

Dla prądów sinusoidalnych błąd ten może być określony z wyrażenia:

-4-

100I

IIK

p

psn

c ⋅−⋅

= r

rr

ε (5),

gdzie sIr

oraz pIr

oznaczają wektorowe wartości prądów wtórnego i pierwotnego

przekładnika.

Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się następujące rodzaje przekładników

prądowych:

• przekładniki do pomiarów, które służą do zasilania przyrządów pomiarowych

(amperomierze, cewki prądowe watomierzy, liczników energii itp.),

• przekładniki do zabezpieczeń, które służą do zasilania przekaźników

zabezpieczeniowych.

Od przekładników do pomiarów wymaga się dużej dokładności transformacji

w normalnych warunkach pracy systemu elektroenergetycznego, natomiast nie mają znaczenia błędy transformacji w krótkotrwałych stanach zakłóceniowych (np. podczas

zwarć). Dokładny pomiar prądu zwarciowego, wielokrotnie przekraczającego prądy robocze

(a więc również zakresy pomiarowe przyrządów), mógłby spowodować zniszczenie

mierników. Z tego względu przekładniki te powinny posiadać liniową charakterystykę magnesowania w zakresie obciążeń roboczych, natomiast przy większych obciążeniach

powinno następować szybkie nasycanie rdzenia powodujące ograniczenie prądu po stronie

wtórnej przekładnika. Przekładniki do zabezpieczeń powinny się natomiast charakteryzować określoną dokładnością transformacji w zakresie prądów zakłóceniowych, wielokrotnie

przekraczających prąd znamionowy przekładnika. Z tego względu charakterystyka

magnesowania tych przekładników powinna być liniowa dla prądów wielokrotnie

przekraczających zakres obciążeń roboczych, jednocześnie wymagania odnośnie do

dokładności w zakresie prądów roboczych są mniejsze niż dla przekładników do pomiarów.

Opisane wyżej właściwości przekładników prądowych charakteryzowane są przez

następujące parametry:

• przekładniki do pomiarów:

o znamionowy prąd pierwotny bezpieczny przyrządu IPL – wartość skuteczna minimalnego prądu pierwotnego, przy którym błąd całkowity

przekładnika jest równy lub większy niż 10% przy obciążeniu znamionowym,

o współczynnik bezpieczeństwa przyrządu FS – stosunek znamionowego

prądu pierwotnego bezpiecznego do znamionowego prądu pierwotnego:

pnI

IPLFS = (6),

przy czym faktyczny współczynnik bezpieczeństwa zależy od obciążenia

przekładnika,

• przekładniki do zabezpieczeń:

o znamionowy graniczny prąd pierwotny Ipngr– wartość skuteczna prądu

pierwotnego, dla którego przekładnik spełnia wymagania w zakresie błędu

całkowitego (wymagania te wynikają z klasy przekładnika),

o współczynnik graniczny dokładności ngr– stosunek znamionowego prądu

granicznego pierwotnego do znamionowego prądu pierwotnego:

-5-

pn

pngr

grI

In = (7),

przy czym znormalizowanymi wartościami współczynnika ngr są 5 – 10 – 15 –

20 – 30.

Dla przekładników do pomiarów wartości współczynnika bezpieczeństwa FS mieszczą się z reguły w przedziale 3÷5, przy czym im niższa wartość tego współczynnika, tym lepsza

ochrona zasilanych z przekładnika przyrządów przed skutkami przetężeń. Znormalizowane klasy dokładności przekładników prądowych do pomiarów wynoszą 0,1

– 0,2 – 0,5 – 1 – 3 – 5. Liczby oznaczające klasę są jednocześnie granicznymi

dopuszczalnymi wartościami błędu prądowego przy prądzie znamionowym i obciążeniu

zawartym w granicach od 25% do 100% znamionowego.

Klasa dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń jest oznaczona przez

największy dopuszczalny błąd całkowity wyrażony w procentach przy znamionowym

granicznym prądzie pierwotnym, poprzedzający literę „P”. Znormalizowanymi klasami

dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń są 5P i 10P. Błąd prądowy przy

prądzie znamionowym pierwotnym nie powinien przekraczać ±1% dla przekładników klasy

5P i ±3% dla klasy 10P.

2. Opis stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w przekładnik prądowy badany, dwa

przekładniki prądowe wzorcowe, transformator prądowy służący do zasilania obwodu

pomiarowego wraz z regulatorem indukcyjnym (dławikiem), opornik suwakowy do

ustawiania mocy obciążenia przekładnika oraz zestaw przyrządów pomiarowych.

3. Program ćwiczenia

W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić:

• oględziny badanego przekładnika prądowego,

• sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków,

• pomiar błędu prądowego przy przetężeniach,

• wyznaczenie znamionowego prądu pierwotnego bezpiecznego IPL oraz

współczynnika bezpieczeństwa FS badanego przekładnika,

• pomiar błędu kątowego przy przetężeniach,

• pomiar wartości i sprawdzenie przebiegu napięcia na rozwartych zaciskach strony

wtórnej przekładnika.

3.1. Oględziny

W ramach oględzin należy zwrócić uwagę na:

• sposób i czytelność oznaczenia zacisków przekładnika,

• dane zawarte na tabliczce znamionowej przekładnika, przy czym zgodnie z normą [1] wszystkie przekładniki powinny mieć m.in. następujące oznaczenia:

o nazwa wytwórcy lub inny znak, za pomocą którego przekładnik może być łatwo zidentyfikowany,

o numer seryjny lub oznaczenie typu (najlepiej obydwa oznakowania),

-6-

o znamionowe prądy pierwotny i wtórny w postaci: Kn=Ipn/Isn A (np.

Kn=100/5 A),

o częstotliwość znamionowa (np. 50 Hz),

o moc znamionowa i odpowiadająca jej klasa dokładności,

o najwyższe napięcie urządzenia,

o znamionowy poziom izolacji,

o znamionowy krótkotrwały prąd cieplny (Ith) i znamionowy prąd dynamiczny

(Idyn),

o klasa izolacji, jeżeli jest inna niż klasa A,

• obecność zacisku uziomowego,

• ewentualne widoczne uszkodzenia lub wady wykonania.

3.2. Sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków

Zgodnie z normą [1] zaciski przekładnika jednoprzekładniowego powinny odpowiadać oznaczeniom podanym na rys. 1a, jednak przekładniki starsze mogą posiadać oznaczenia K

(odpowiadające zaciskowi P1), L (P2), k (S1) i l (S2). Oznaczenia zacisków powinny być takie, aby w danej chwili zaciski oznaczone P1 i S1 miały tę samą biegunowość, tzn. gdy

chwilowy kierunek prądu w uzwojeniu pierwotnym jest od P1 do P2, w uzwojeniu wtórnym

chwilowy kierunek prądu powinien być od S1 do S2. Oznaczenia zacisków przekładników

z zaczepem w uzwojeniu wtórnym przedstawiono na rys. 1b, a przekładników z dwoma

uzwojeniami wtórnymi na rys. 1c.

a) b)

c)

Rys. 1. Oznaczenie zacisków przekładników:

a) jednoprzekładniowego,

b) z zaczepem w uzwojeniu wtórnym,

c) z dwoma uzwojeniami wtórnymi, każde na własnym

rdzeniu (podano dwa alternatywne sposoby oznaczania).

-7-

Sprawdzenie prawidłowości oznaczeń zacisków najczęściej wykonywane jest metodą prądu

przemiennego, dla której schemat połączeń przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Schemat układu do sprawdzania prawidłowości oznaczeń zacisków przekładnika

prądowego. PB – przekładnik badany, PW – przekładnik wzorcowy, DŁ – dławik regulacyjny,

TW – transformator wielkoprądowy.

Przekładnik wzorcowy PW powinien mieć taką samą przekładnię jak przekładnik badany. Za

pomocą dławika regulacyjnego należy tak ustawić wartość prądu, aby w obwodzie wtórnym

przekładnika PW prąd był w przybliżeniu równy prądowi znamionowemu. Jeżeli oznaczenia

zacisków są prawidłowe to wskazanie amperomierza A2, przez który płynie różnica prądów

wtórnych, będzie bliskie zeru, w przeciwnym razie będzie bliskie dwukrotnej wartości prądu

znamionowego wtórnego.

Podczas badań przekładników prądowych w miejscu ich zainstalowania, powyższa

metoda może być uciążliwa lub wręcz niemożliwa do zastosowania. W takich przypadkach

można zastosować inną metodę, której zasadę przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Schemat układu do uproszczonego sprawdzania prawidłowości oznaczeń zacisków

przekładnika prądowego.

Uzwojenie pierwotne łączy się poprzez łącznik ze źródłem napięcia stałego (np. zwykłą baterią). Do zacisków uzwojenia wtórnego przyłącza się woltomierz magnetoelektryczny tak,

że jeśli dodatni biegun baterii połączony jest z zaciskiem P1, to dodatni zacisk woltomierza

łączy się z zaciskiem S1 przekładnika. Jeśli po zwarciu styków łącznika wskazówka

woltomierza wychyli się w prawo, to oznaczenie zacisków jest poprawne.

-8-

3.3. Pomiar błędu prądowego i współczynnika bezpieczeństwa

Pomiar błędu prądowego oraz współczynnika bezpieczeństwa przeprowadza się przy użyciu

układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Schemat układu do pomiaru błędu prądowego i wyznaczania współczynnika

bezpieczeństwa przekładnika prądowego

W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiary błędów prądowych dla zakresu

prądów pierwotnych (1÷5)·IBpn przy czterech różnych wartościach mocy obciążenia: 0,5·Sn;

Sn; 1,5·Sn i 2·Sn (IBpn oznacza znamionowy prąd pierwotny przekładnika badanego). Żądaną wartość mocy obciążenia przekładnika So uzyskuje się poprzez zmianę rezystancji opornicy

R0 tak, aby przy znamionowej wartości prądu wtórnego (I1s = IBsn = 5 A) spełniona była

zależność:

sn22o IUS ⋅= (8),

gdzie U2 oznacza wartość napięcia na zaciskach strony wtórnej badanego przekładnika.

Wypadkowa impedancja obciążenia przekładnika badanego jest wypadkową impedancji

opornicy R0 oraz impedancji przekładnika wzorcowego PW1 z przyłączonym do niego

amperomierzem A1.

Przekładnia przekładnika wzorcowego PW2 powinna być tak dobrana, aby pracował on

w swoim zakresie znamionowym, natomiast przekładnia przekładnika wzorcowego PW1

powinna być tak dobrana, aby iloczyn przekładni tego przekładnika K1n i przekładnika

badanego KBn był równy przekładni przekładnika PW2 K2n:

n1Bnn2 KKK ⋅= (9).

Pomiar wartości współczynnika bezpieczeństwa FS wykonuje się dla podanych wyżej

wartości mocy obciążenia w ten sposób, że zwiększa się prąd pierwotny Ip do chwili, w której

prąd I1s’ wskazywany przez amperomierz A1 wynosi 90% prądu I2s pokazywanego przez

amperomierz A2 (błąd prądowy osiąga wówczas ujemną wartość 10%). Współczynnik

bezpieczeństwa FS oblicza się z równania

Bpn

n2s2

I

KIFS

⋅= (10).

-9-

Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 1.

Tabela 1

Ip I1s’ I2s I1s So ∆∆∆∆I%

Lp. [×IBpn] [A] [A] [A] [VA] [×Sn] [%]

FS

1 1

… …

5 5

0,5

1 1

… …

5 5

1,0

… … …

1 1

… …

5 5

2,0

3.4. Pomiar błędu całkowitego

Błąd całkowity jest wielkością istotną głównie w przypadkach, gdy przekładnik prądowy

stanowi element układu sumującego, złożonego z wielu przekładników o połączonych

uzwojeniach wtórnych. Układy takie są wykorzystywane głównie przy zasilaniu urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Pomiar błędu całkowitego można

przeprowadzić z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na

rys. 5.

Rys. 5. Schemat układu do pomiaru błędu całkowitego przekładnika prądowego

-10-

W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiary błędów prądowych dla zakresu prądów

pierwotnych (1÷5)·IBpn przy czterech różnych wartościach mocy obciążenia: 0,5·Sn; Sn; 1,5·Sn

i 2·Sn. Wyniki pomiarów należy zestawić zgodnie z tab. 2.

Tabela 2

Ip I2s '

s1s2 II − So εεεεc Lp.

[×IBpn] [A] [A] [VA] [×Sn] [%]

1 1

… …

5 5

0,5

1 1

… …

5 5

1,0

… … …

1 1

… …

5 5

2,0

3.5. Badanie przekładnika przy rozwartym uzwojeniu wtórnym

Przy rozwarciu uzwojenia wtórnego cały prąd pierwotny jest prądem magnesującym, z tego

względu nawet przy niewielkiej wartości tego prądu (znacznie mniejszej od prądu

znamionowego), przekładnik ulega nasyceniu. Konsekwencją takiego stanu może być zwiększone nagrzewanie się rdzenia i przepięcia w uzwojeniu wtórnym. W ramach ćwiczenia

należy przeprowadzić pomiar wartości oraz obserwację przebiegu napięcia pojawiającego się na otwartych zaciskach strony wtórnej przekładnika przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego

różnymi wartościami prądu. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Schemat układu do badania przekładnika przy rozwartym uzwojeniu wtórnym

Pomiar napięcia należy wykonać woltomierzem elektronicznym, natomiast przebieg napięcia

obserwuje się na ekranie oscyloskopu. Wartość prądu po stronie pierwotnej badanego

przekładnika należy zwiększać stopniowo od zera do wartości znamionowej, następnie prąd

-11-

należy płynnie zmniejszać w celu rozmagnesowania rdzenia. Wyniki pomiarów należy

zestawić zgodnie z tab. 3.

Tabela 3

⋅In 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Ip

[A]

Us [V]

4. Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• opis celu i zakresu wykonanych badań,

• opis i dane znamionowe badanego przekładnika prądowego oraz przekładników

wzorcowych,

• schematy układów pomiarowych wykorzystanych podczas realizacji ćwiczenia,

• wyniki pomiarów zestawione w postaci tabelarycznej,

• wykresy zależności:

o ∆I% = f ( Ip ) dla So = const,

o ∆I% = f (So) dla Ip = const,

o FS = f (So),

o εc = f ( Ip ) dla So = const,

o εc = f (So) dla Ip = const,

o Us = f ( Ip ),

• odrysowany lub sfotografowany przebieg napięcia na rozwartych zaciskach strony

wtórnej przekładnika,

• wnioski wynikające z ćwiczenia i przeprowadzonych pomiarów.

5. Literatura

[1]. PN-EN 60044-1:2000 Przekładniki. Przekładniki prądowe.

[2]. A. Wiszniewski. Przekładniki w elektroenergetyce. WNT, Warszawa 1982.

[3]. A. Koszmider, J. Olak, Z. Piotrowski. Przekładniki prądowe. WNT, Warszawa 1985.