NL9400221A

NL9400221A - Werkwijze voor het meten van een weerstandswaarde.

Info

Publication number: NL9400221A
Application number: NL9400221A
Authority: NL
Inventors: Henricus Ferdinandus Verhaart
Original assignee: Kema Nv
Priority date: 1994-02-11
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 1995-09-01
Also published as: JP2006010710A; EP0667534A1; JPH0836003A; CA2141390C; US5546010A; CA2141390A1

Description

WERKWIJZE VOOR HET HETEN VAN EEN WEERSTANDSWAARDE

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van een weerstandswaarde in een in een elektrische inrichting opgenomen netwerk, waarbij het netwerk ten minste twee toegankelijke aansluitingen heeft, het netwerk ten minste twee tenminste een orde van grootte van elkaar verschillende tijdconstanten heeft, en de weerstandswaarde kan worden gerelateerd aan de op de aansluitklemmen aangelegde spanning en de door de inrichting vloeiende stroom.

Een dergelijke werkwijze is bijvoorbeeld van toepassing voor het meten van de contactweerstand van regelschakelaars van transformatoren. De contacten van dergelijke regelschakelaars vertonen bij veroudering een verhoging van de contactweerstand die bovendien afhankelijk is van de positie van de regelschakelaar. Deze verhoging wordt veroorzaakt door de afzetting van kool op de contacten bij de ontleding van de in de schakelaar aanwezige olie. Bij toenemende verhoging van de contactweerstand branden de contacten in, wat kan uitmonden in het verbreken van het metallisch contact. De dan optredende elektrische bogen leiden tot het wegbranden van de contacten en een storing is een feit.

In het algemeen zijn deze regelschakelaars opgenomen in de bak van een transformator, zodat, om toegang te verkrijgen tot een dergelijke regelschakelaar, de olie uit de transformatorbak moet worden afgetapt en de regelschakelaar uit de bak moet worden verwijderd. Dit is een kostbare operatie die bij voorkeur alleen moet worden uitgevoerd, wanneer er een werkelijke noodzaak bestaat om de regelschakelaar te revideren of om andere werkzaamheden aan de regelschakelaar uit te voeren.

Aldus bestaat er behoefte aan een werkwijze voor het meten van de contactweerstand van een dergelijke regelschakelaar zonder dat lichamelijk toegang tot de regelschakelaar wordt verkregen.

Anders gesteld, bestaat er behoefte aan een werkwijze voor het meten van een weerstandswaarde in een dergelijke elektrische inrichting opgenomen netwerk.

Het is uiteraard mogelijk de gelijkstroomweerstand van een regelschakelaar en de daarmee in serie geschakelde Ohmse weerstandswaarde van een wikkeling te meten met een Thomson-brug, of door gebruik te maken van een vierpuntsmeting.

Hierbij heeft het feit dat de wikkeling in serie staat met de weerstand, waarvan de waarde moet worden gemeten tot gevolg dat, als gevolg van de zelfinductie van de wikkeling, lange wachttijden noodzakelijk zijn, voordat de stroom stationair is geworden. Bij gebruikelijke distributietrans-formatoren liggen deze wachttijden in de grootteorde van een tiental minuten.

Aldus is het meten van de contactweerstand van een regelschakelaar in alle standen en alle drie de fasen van de transformator een bezigheid die bijzonder veel tijd inneemt.

Bovenstaande bekende werkwijze is overigens slechts geschikt voor het meten van de stationaire weerstand van een regelschakelaar in een bepaalde stand van deze schakelaar.

Er bestaat echter veelal ook behoefte aan informatie omtrent de weerstand van de schakelaar tijdens het omschakelen. Hiervoor is momenteel een extra meting noodzakelijk.

Een bekende methode om de weerstandverandering tijdens het omschakelen te meten maakt gebruik van een oscilloscoop. Hierbij wordt de hoogspanningswikkeling van een fase aangesloten op een gelijkspanningsbron en wordt de bijbehorende laagspanningswikkeling verbonden met de oscilloscoop. Hierbij wordt uitgegaan van een situatie dat de regelschakelaar opgenomen is in de hoogspanningswikkeling. Een verandering van de weerstand aan de primaire (hoogspannings-) zijde tijdens het schakelen, zal een spanningsverandering aan de secundaire zijde tot gevolg hebben, hetgeen met een oscilloscoop zichtbaar is. Uit de aldus verkregen oscillogrammen kan met enig rekenwerk de waarde van de diverse contactweerstanden in de regelschakelaar worden afgeleid. Dit betreft echter steeds dynamische effecten; over stationaire contactweerstanden geeft deze meting geen uitsluitsel.

Een ander methode om iets te zeggen over de weerstandsverandering tijdens het omschakelen, maakt gebruik van een meetbrug ter bepaling van de overzetverhouding van een transformator. Het uit evenwicht gaan van de meetbrug, zichtbaar als een beweging van de naald van de nulindicator, tijdens het omschakelen van de regelschakelaar, duidt op een verandering van de contactweerstand. De grootte van de uitslag van de nulindicator zegt in kwalitatieve zin iets over de contactweerstand, maar leidt niet zonder meer tot kwantitatieve waarden van de contactweerstand.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een dergelijke meetmethode, waarbij in een korte tijd, en met een grote nauwkeurigheid informatie kan worden verkregen omtrent de overgangsweerstanden in een dergelijke regelschakelaar, zowel bij stilstaande als bij bewegende contacten.

Dit doel wordt bereikt door het aanleggen van een stapvormige verandering in de door een voedingsbron op de elektrische inrichting aangelegde spanning of door een stapvormige verandering van een met de elektrische inrichting in serie geschakelde bekende weerstand, het meten van de waarden van de door de aansluitklemmen vloeiende stroom, voordat de verandering heeft plaatsgevonden en nadat het aan de kleinste tijdconstante gerelateerde, door het aanleggen van de stapvormige verandering veroorzaakte overgangsverschijnsel is uitgedempt, en het uit de gemeten waarde van de stroom berekenen van de eerste weerstandswaarde.

Het zal duidelijk zijn dat thans het belangrijkste toepassingsgebied voorzien wordt bij de regelschakelaars van transformatoren,· het is echter evenzeer denkbaar dat de. uitvinding bij andere elektrische inrichtingen van toepassing is, waarbij eveneens sprake is van moeilijk toegankelijke onderdelen, waarvan men de weerstandswaarden of de impedantie wil vaststellen.

Vervolgens zal de uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen, waarin voorstellen: figuur 1: een gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht van een distributietransformator met daarin een regelschakelaar, waarop de onderhavige uitvinding van toepassing is; figuur 2: een vervangingsschema van de tot één fase behorende schakeling van een transformator; figuur 3: een vereenvoudiging van het vervangingsschema van figuur 2, welke geldt nadat de responsie met de kleinste tijdconstante heeft plaatsgevonden; figuur 4: het vereenvoudigde vervangingsschema, waarbij aan de primaire zijde een weerstand wordt bijgeschakeld; figuur 5: een schakelschema van een meetschakeling ten gebruike bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding; en figuur 6: een schematische weergave van een met de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding te verkrijgen oscillogram.

In figuur 1 is een transformator 1 afgebeeld die gevormd wordt door een bak 2 die aan zijn bovenzijde is afgesloten door een deksel 3, en waarin een ijzercircuit 4 is aangebracht, waarop voor elke fase een combinatie van een hoog- en een laagspanningswikkeling 5,6,7 is aangebracht. Verder is in de bak een regelschakelaar 8 ondergebracht, waarbij voor elk van de drie fasen een afzonderlijke regelschakelaar aanwezig is, doch waarbij de afzonderlijke regelaars parallel worden bewogen. Op de constructie van de regelaars wordt hierbij verder niet ingegaan, aangezien dit voor de onderhavige uitvinding niet van belang is.

Zoals uit figuur 1 blijkt, is de regelschakelaar 8 opgenomen in de bak 2, die overigens met isolerende olie 9 gevuld is, zodat slechts door het aftappen van de olie 9 toegang kan worden verkregen tot de regelschakelaar 8.

Volgens de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt gebruik gemaakt van het verschil in tijdconstanten die in een transformator heersen, en die bepaald worden door de in de transformator opgenomen elektrische weerstanden en inducties. De waarden van de tijdconstanten hoeven overigens niet bekend te zijn.

Voor het verklaren van de werkwijze wordt gebruik gemaakt van een vervangingsschema voor transformatoren, zoals dit afgebeeld is in figuur 2 (de zogenaamde equivalente T-schakeling).

Hierbij is N de overzetverhouding van de transformator en wordt de koppelfactor van de transformator gerepresenteerd door k. De elementen van de secundaire zijde zijn gereduceerd tot elementen aan de primaire zijde. Zo representeert het element (l-k)^ de primaire spreidingszelfinductie, kLx de totale zelfinductie verminderd met de sprei-dingszelfinductie van de primaire zijde, Rtot de Ohmse weerstand van de primaire wikkeling vermeerderd met de contactweerstand van de regel schakelaar, en (l-k)N2L2 de naar de primaire zijde gereduceerde spreidingszelfinductie van de secundaire zijde en N2R2 de naar de primaire zijde gereduceerde weerstand van de secundaire zijde.

Bovengenoemde schakeling heeft twee tijdconstanten, namelijk:

(1) en

(2)

Indien de transformator aan de secundaire zijde wordt kortgesloten, dan is de waarde van R2 klein en daar de koppelfactor van de distributietransformator vrijwel gelijk aan 1 is, geldt in deze situatie r2 « r2. Aldus heeft bovenstaande schakeling twee tijdconstanten die tenminste een orde van grootte van elkaar verschillen. Door dit grote verschil in waarde is het mogelijk in de responsie op een stapvormige verandering duidelijk te herkennen wanneer de responsie met de kleinste tijdconstante is uitgedempt.

Het vervangingsschema voor de transformator nadat de responsie met de kleinste tijdconstante is uitgedempt, is aanzienlijk eenvoudiger. Het vervangingsschema is weergegeven in figuur 3.

Uit de figuur blijkt dat als V0 een stapfunctie is, voor t=0 geldt:

(3) (4)

(5)

Voor t-*oo geldt:

(6) (7) (8)

Waaruit volgt:

(9)

Met vergelijking 3 kan R2 dan berekend worden:

(10)

Uit de totale stapresponsie is dus zowel Rtot als R2 te bepalen. Is R2 éénmaal bekend dan kan in andere standen of voor andere waarden van V0, Rtot bepaald worden met vergelijking 5 en hoeft men niet meer te wachten tot de stroom constant is geworden.

Een andere mogelijke transiënt is het op t=0 bij schakelen van een weerstand aan de primaire zijde. Het vervan- gingsschema voor deze situatie is weergegeven in figuur 4. Uit deze figuur blijkt dat voor t<0 geldt:

(11) (12)

Waaruit volgt:

(13)

Voor t=0 geldt:

(14)

Waarin l0 en lx de waarden van I0(t) respectievelijk Ix(t) zijn vlak voor de weerstandsverandering en di de verandering van de stroom is nadat de snelle responsie heeft plaatsgevonden. Invullen van vergelijking 11 in vergelijking 14 levert:

(15)

Zijn dR en R2 bekend dan kan Rtot bepaald worden met:

(16)

Zijn R^,. en R2 bekend dan kan dR bepaald worden met:

(17)

Is de stroom stationair op t=0 (I0(t) =IL(t) =I0, l2(t)=0) dan kan met een bekende dR, R2 berekend worden met:

(18)

Wordt, voordat er een weerstandsverandering dR2 ten gevolge van het bewegen van de contacten van de omschakelaar plaatsvindt, met een bekende weerstand dRx geschakeld, dan geldt:

(19)

(20)

Waarin I01 en I02 de stroom is vlak voor de schakeling met dRx, respectievelijk dR2, terwijl dix en di2 de verandering van de stroom is na de snelle responsie volgend op het schakelen met dR2 respectievelijk dR2. Combineren van vergelijking 19 met vergelijking 20 geeft:

(21)

Uit bovenstaande theorie kan men twee soorten metingen distilleren. Als eerste de responsie op een stapfunctie van de aangelegde spanning en als tweede de responsie op een stapvormige verandering van de serieweerstand. Met de eerste soort meting is alleen de weerstand bij stilstaande contacten te bepalen, terwijl met de tweede soort meting zowel de weerstand bij stilstaande als bij bewegende contacten is te bepalen. Voor het bepalen van de contactweerstanden van een regelschakelaar is dus de tweede soort meting de aangewezen methode.

Voor het uitvoeren van de meting wordt gebruik gemaakt van de meetschakeling, zoals in figuur 5 is afgeheeld. Hierbij is de schakeling van een transformator 1 voor één enkele fase afgeheeld. De in figuur 5 afgeheelde schakeling van de transformator met regelschakelaar dient te worden beschouwd als een voorbeeld, daar in de praktijk meerdere schakelingen en diverse soorten regelaars worden gebruikt.

De transformator omvat een hoogspanningsstamwikkeling 10 en een extern kortgesloten, secundaire wikkeling 11. De regelschakelaar 8 is door middel van drie afzonderlijke aansluitingen verbonden met de grofregelwikkelingen van de primaire zijde 24 en de regelschakelaar 8 omvat een grofregelschakelaar 12 en een fijnregelschakelaar 13. De fijnregelschake-laar 13 is wederom verbonden met een om de ijzerkern aangebrachte regelwikkeling 14. De regelschakelaar is zo geconstrueerd dat één contact van de grofregelaar bij de overgang naar een andere stand geen stroom voert, tijdens deze beweging schakelt het andere contact niet, maar beweegt wel terwijl het stroom voert.

Tussen de primaire aansluitingen 15,16 van de transformator is een meetschakeling aangebracht die gevormd wordt door een gelijkspanningsbron 17, waarmee een weerstand 18 in serie is geschakeld die kan worden kortgesloten door een schakelaar 19. Verder is in serie een hoofdschakelaar 20 opgenomen en een meetweerstand 21. Over de meetweerstand is stroommeetapparatuur aangesloten, bijvoorbeeld in de vorm van een schrijvende recorder 22 en een oscilloscoop 23.

Bij de meting wordt als volgt te werk gegaan (het verloop van de stroom tijdens de meting is schematisch weergegeven in figuur 6). Aanvankelijk wordt de regelschakelaar 12 in een uiterste positie geplaatst, hierbij staan dus ook de grofregelaar en de fijnregelaar in de uiterste positie. Daarna worden de meetapparaten 22,23 ingeschakeld, en wordt schakelaar 20, evenals schakelaar 19 gesloten. Vervolgens wordt gewacht tot de door de meetschakeling heen vloeiende stroom I0 constant is geworden. De waarde van deze stroom I0 wordt gemeten. Hierna wordt op t0 schakelaar 19 gedurende ongeveer 1 seconde geopend. Dan wordt de waarde van de stroom di bepaald.

Uit de stationaire waarde I0 en di kunnen, met vergelijkingen 9 en 18 Rtot en R2 worden berekend.

Vervolgens wordt de fijnregelaar op t2 een positie verder geplaatst, hetgeen een stroomverandering geeft ten gevolge van het schakelen met weerstanden Re en van de fijnregelaar (zie figuur 5). Hierna wordt op t2 schakelaar 19 weer voor ongeveer 1 seconde geopend. Met behulp van vergelijking 16 is dan met I01 en di2 de waarde van Rtot in deze stand van de regelschakelaar te bepalen, waarbij rekening gehouden wordt met de andere positie van de regelschakelaar .

Vervolgens wordt deze meting herhaald voor alle andere standen van de regelschakelaar. Vindt bij een standsverande-ring van de regelschakelaar, bijvoorbeeld op t3, ook een beweging van de grofschakelaar plaats dan kan ten gevolge van een verandering van de contactweerstand een stroomverandering di2 worden waargenomen. Met behulp van vergelijking 21 is dan met I01, I02, di2 en di2 de verandering van de contactweerstand dR2 te bepalen.

De hierboven genoemde meting kan vervolgens bij de andere twee fasen van de transformator worden herhaald.

Omdat bij deze meetmethode niet in alle standen rekening behoeft te worden gehouden met het uitdempen van trans-iënte verschijnselen met grote tijdconstante, kan de meting snel worden uitgevoerd. Tevens wordt met deze meetmethode in één meting zowel de contactweerstand bij stilstaande contacten als bij bewegende contacten bepaald.

De berekeningen kunnen uiteraard snel met een daarvoor geprogrammeerd rekentuig worden uitgevoerd.

De meetmethode van de onderhavige uitvinding kan ook worden toegepast voor het meten van de Ohmse weerstands-waarde van de wikkelingen van een transformator, waarbij de invloed van de regelschakelaar minder van belang is, bijvoorbeeld bij temperatuursmetingen van een transformator. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat de weerstand van een metalen wikkeling teraperatuurafhankelijk is.

Uiteraard was het met tot de stand van de techniek behorende methoden eveneens mogelijk een dergelijke meting uit te voeren, doch gezien de lange tijdconstante, moest de meting zich over een lange tijdsduur uitstrekken, waardoor momentopnames bij variërende temperatuur niet mogelijk waren.

Door de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt dit probleem ondervangen. Overigens is voor dit soort meting de methode waarbij de responsie op een stapvormige verandering in de aangelegde spanning wordt gemeten de meest geschikte.

Claims

1. Werkwijze voor het meten van een eerste weerstands-waarde in een in een elektrische inrichting opgenomen netwerk, waarbij het netwerk ten minste twee toegankelijke aansluitingen heeft, het netwerk ten minste twee tenminste een orde van grootte van elkaar verschillende tijdconstanten heeft, en de eerste weerstandswaarde kan worden gerelateerd aan de door de aansluitklemmen vloeiende stroom, gekenmerkt door: - het aanleggen van een stapvormige verandering van de spanning op de aansluitklemmen, - het meten van de door de aansluitklemmen vloeiende stroom, voordat de verandering heeft plaatsgevonden en nadat het aan de kleinste tijdconstante gerelateerde, door het aanleggen van de verandering veroorzaakte overgangsverschijnsel is uitgedempt, en - het uit de gemeten waarden van de stroom berekenen van de eerste weerstandswaarde.

2. Werkwijze voor het meten van een eerste weerstandswaarde in een in een elektrische inrichting opgenomen netwerk, waarbij het netwerk ten minste twee toegankelijke aansluitingen heeft, het netwerk ten minste twee tenminste een orde van grootte van elkaar verschillende tijdconstanten heeft, en de eerste weerstandswaarde kan worden gerelateerd aan de op de aansluitklemmen aangelegde spanning en de daardoorheen vloeiende stroom, gekenmerkt door: - het aanleggen van een stapvormige verandering in een met de elektrische inrichting in serie geschakelde bekende weerstand, - het meten de waarden van de door de aansluitklemmen heen vloeiende stroom, voordat de verandering heeft plaatsgevonden en nadat het aan de kleinste tijdconstante gerelateerde, door het aanleggen van de verandering veroorzaakte overgangsverschijnsel is uitgedempt, en - het uit de gemeten waarden van de stroom berekenen van de eerste weerstandswaarde.

3. Werkwijze volgens conclusie 2 voor het meten van een tweede in het netwerk opgenomen variërende weerstandswaarde, gekenmerkt, door de volgende stappen: - het aanleggen van een stapvormige verandering in een met de elektrische inrichting in serie geschakelde bekende weerstand, - het meten van de waarden van de door de aansluitklem-men vloeiende stroom, voordat de verandering van de bekende weerstand heeft plaatsgevonden en nadat het aan de kleinste tijdconstante gerelateerde, door het aanleggen van de verandering veroorzaakte overgangsverschijnsel is uitgedempt, en - het meten van de waarden van de door de aansluitklem-men vloeiende stroom, voordat de verandering van de tweede weerstand heeft plaatsgevonden en nadat het aan de kleinste tijdconstante gerelateerde, door het aanleggen van de verandering veroorzaakte overgangsverschijnsel is uitgedempt, en - het uit de gemeten waarden van de stroom berekenen van de tweede weerstandswaarde.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 en 3, met het kenmerk, dat na het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 2 en 3, een verandering in de structuur van het netwerk wordt aangebracht en vervolgens de werkwijzen volgens conclusies 2 en 3 herhaald worden.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de elektrische inrichting door een transformator wordt gevormd.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de transformator een regelschakelaar omvat, met het kenmerk, dat de meting tot doel heeft de overgangsweerstand van de contacten van de regelschakelaar te bepalen.

7. Werkwijze volgens conclusie 4 en 5, met het kenmerk, dat da elke meting de regelschakelaar van de transformator een positie verplaatst wordt.

8. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tweede weerstandswaarde het gevolg is van de veranderende contactweerstand van de regelschakelaar tijdens het veranderen van positie van de regelschakelaar.

9. Werkwijze volgens conclusie 5, 6, 7 en 8, met het kenmerk, dat de toegankelijke aansluitingen door de hoog-spanningsaansluitingen gevormd worden, en dat de laagspan-ningsaansluitingen zijn kortgesloten.

10. Werkwijze volgens conclusie 5, 6, 7, 8 of 9, met het kenmerk, dat de transformator een meerfasige transformator is, de meting fase voor fase wordt uitgevoerd, en de overige fasen niet zijn aangesloten.

11. Werkwijze volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de voedingsbron een gelijkspan-ningsbron is.