Введение к работе
Актуальность работы
Необходимость гальванической развязки между высоковольтными частями электроустановок и измерительными приборами (датчиками) и требования унификации измерительных устройств обусловили широкое применение измерительных трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН). Эти з'стройства являются первичными преобразователями для систем измерений, телеметрии, телемеханики и т.д. Для обеспечения необходимой и достаточной точности измерений в России, как и во всех странах, приняты некоторые нормативы по точности этих измерительных трансформаторов. В частности, имеются нормативы (ГОСТы), вводящие классификацию их по точности. Все измерительные ТН делятся на классы точности, которых выделяется пять : 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0.
Измерительные трансформаторы должны проходить периодическую поверку с межповерочным интервалом, ранее определяемым приложением к ГОСТ 8.002-71 (до отмены этого стандарта), что, в случае применения средств измерений для расчетов с потребителями, соответствует интервалу в 4 года. После отмены этого ГОСТа межповерочный интервал устанавливается для каждого типа трансформатора отдельно при проведении испытаний с целью утверждения типа. Данные об этих интервалах содержатся в описаниях типов, которые хранятся в Госреестре средств измерений. Разброс сроков периодической поверки для разных типов трансформаторов составляет от 3 до 8 лет.
На практике периодические поверки, по результатам которых можно корректировать изменения коэффициентов преобразования измерительных систем в процессе эксплуатации не реализуются, поскольку это связано с техническими сложностями. В частности выведение ТН в поверку требует отключения цепей релейной защиты, автоматики и учета на все время поверки и вызывает значительные финансовые затраты. Кроме того, имеется мнение, что можно отказаться от периодической поверки, как являющейся якобы совершенно излишней, забывая при этом требования Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» в части поверки средств измерений при расчетах между покупателем и продавцом. Скорее всего, это мнение обусловлено практически полным отсутствием в РФ информации о метрологическом состоянии ТН с многолетними сроками эксатуатации.
В качестве основного направления по обеспечению поверки ТН в условиях эксплуатации как в России, так и за рубежом сегодня принято
создание передвижных образцовых поверочных установок, однако из-за высокой стоимости таких установок и отсутствия финансирования работы в России практически не ведутся.
В современной практике обычно считается, что параметры ТН в процессе эксплуатации не меняются, т.е. его класс точности остается неизменным. Однако уже в описаниях типа этот факт завуалированно отвергается наличием требований о периодической поверке (для каждого типа ТН). Проверку метрологических характеристик ТН необходимо проводить при некоторых строго нормированных сочетаниях влияющих факторов, таких как значения нагрузки вторичных цепей, напряжения, коэффициента мощности нагрузки, которые в реальных условиях эксплуатации, очевидно, не выдерживаются. Кроме того, магнитопроводы ТН, выполняемые в подавляющем большинстве случаев из листовой электротехнической стали, также со временем меняют свои характеристики. Это обусловлено многими факторами:
«старение» ферромагнетиков из-за наличия вибраций, перепадов температуры и т.п.;
ослабление шихтовки магнитопроводов в процессе эксплуатации;
в ТН с литой изоляцией с течением времени происходит дополнительный обжим магнитопровода, связанный с медленными процессами полимеризации компаундов;
при возникновении резких бросков тока в обмотках ТН возможны процессы изменения кривой намагничивания, как это имеет место в измерительных трансформаторах тока, и т.д.
Подтверждением вышесказанного могут служить рез)'льтаты, полученные в ходе многолетних исследований, проведенных в Чехословацкой национальной и Словацкой региональной энергосистемах в период с 1975 по 1988 г.г., на измерительных трансформаторах напряжения и тока, имеющих номинальные напряжения 110-400 кВ.
Так, в результате калибровок измерительных трансформаторов, проводившихся с помощью передвижной поверочной лаборатории в энергосистемах Словакии с октября 1986 г. по декабрь 1988 г., выявлено, что общее число трансформаторов напряжения, погрешность которых не соответствует заявленному классу точности, может достигать 30 %, а по отдельным классам напряжений может быть значительно выше.
Вопросы метрологии ТН ранее рассматривались, в основном, с позиций научных, безотносительно к реальным практическим задачам. В частности многократные экспериментальные проверки давно показали, что даже реальные значения нагрузок вторичных цепей ТН, которые должны контролироваться достаточно часто и по результатам чего
должны приниматься соответствующие меры, могут в несколько раз превышать номинальные для их работы в заданных классах точности.
Увеличение требований к точности исходной информации привело к осознанию того, что наличие таких «черных ящиков», как измерительные ТТ и ТН, не позволяет доверять системам измерений и учета.
Периодической поверкой на местах эксплуатации в настоящее время практически охвачены только счетчики электроэнергии. Трансформаторы тока и напряжения в своем большинстве работают на энергообъектах уже по 15-30 лет и более без должной периодической поверки. Известны источники возникновения погрешностей измерительных трансформаторов при их зксшгуатаціга. Из-за старения материалов, нарушения условий и электрических режимов работы и по ряду других причин погрешности трансформаторов могут превышать допускаемые пределы в несколько раз. Однако стоящая последние 15-20 лет задача обеспечения периодической поверкой трансформаторов тока и напряжения не решается.
Расчетно-экспериментатышй способ определения метрологических характеристик траисформаторов напряжения по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания опубликован в 1953 г. и в 1995г. после доработки введен Главгосэнергонадзором России как рекомендуемый в «Методику контроля и анализа качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения». В настоящее время этот способ отсутствует в нормативных документах Госстандарта России, так как отсутствуют результаты сличительных испытаний и нет оценки достоверности метрологических характеристик трансформаторов, полученных расчетно-экспериментальньш методом.
Значеній пределов допустимых погрешностей ТН в рабочих условиях применения должны соответствовать ГОСТ 1983-89, при этом в ГОСТ 8.216-88 оговаривается, что погрешности ТН должны определяться при уровнях искажения коэффициентов синусоидальности напряжения не более 5 %. Таким образом, вопрос о погрешностях ТН в реачьных условиях, когда коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (Ки) достигает 10 и более процентов, в соответствующих нормативных документах не рассматривается.
Постановлением Правительства РФ введена обязательная сертификация качества электроэнергии. В конце 1999 г. Государственной Думой в третьей чтении принят Закон РФ «Об электромагнитной совместимости». «Временный порядок сертификации электроэнергии по качеству» предусматривает проведение работ по основным показателям качества электроэнергии (отклонение частоты, установившееся отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициенты несимметрии напряжений по об-
ратной и нулевой последовательностям). Проведение работ по качеству электроэнергии предусматривает не только контроль, но и управление основными показателями качества, включая финансовые механизмы, т.е. введение скидок и надбавок к тарифам на электроэнергию для потребителей за качество электроэнергии в зависимости от их долевого вклада. Сегодня известны два способа определения виновника ухудшения показателей качества электроэнергии (ПКЭ).
Первый - измерение ПКЭ до включения потребителя и после включения потребителя. Этот способ обладает одним существенным недостатком - необходимостью полного отключения потребителя, что практически невозможно сделать для потребителей с мощностью более 1МВт.
Второй - путем определения направлений потоков энергии высших гармоник. Способ основан на измерении гармонических фазовых углов между токами и напряжениями соответствующих гармоник, и в зависимости от того, в каком квадранте находятся векторы, определяется виновник искажения ПКЭ. Способ применим ко всем потребителям, но его погрешность неизвестка.
В связи с тем что измерения и анализ ПКЭ должны проводиться в диапазоне до 40-й гармоники включительно, в данной работе приведены результаты экспериментальных исследований амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ) ТН.
Таким образом, в настоящее время являются актуальными вопросы определения метрологических параметров и характеристик, диагностики, оценки точности передачи высокочастотного сигнала измерительных ТН находящихся в эксплуатации, как с целью снижения потерь электроэнергии, так и доя проведения контроля и анализа качества электрической энергии.
Цель диссертационной работы
-
Разработка и определение достоверности алгоритмов и методик, позволяющих повсеместно проводить определение метрологических параметров и характеристик и диагностику измерительных ТН до 35 кВ включительно, как наиболее массовых первичных преобразователей, при отсутствии специальной аппаратуры.
-
Оценка точности передачи сигнала измерительными ТН при высоких уровнях несинусоидальности напряжения в электрических сетях, т.е. при наличии гармоник напряжения до 40-й включительно.
В задачу диссертационной работы входило:
проведение экспериментальных исследований ТН различных типов изоляции, напряжений, сроков эксплуатации, определение их мет-
рологических параметров и характеристик различными методами, сходимость результатов определения погрешности ТН различными методами;
разработка метода, установки для определения коэффициента передачи измерительного ТН при высоком уровне несинусоидальности напряжения, методики обработки результатов испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментальных исследований метрологических параметров и характеристик электромагнитных однофазных измерительных трансформаторов напряжения до 35 кВ включительно, с литой и масляной изоляцией, по ГОСТ 8.216-88 и косвенными методами в условиях эксплуатации.
Методы исследования
При проведении работы использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории электрических машин, теории вероятностей и статистической обработки информации, теории цепей, теории гармонического анализа,, общей метрологии.
Научная новизна
-
Предложен алгоритм и методика определения метрологических параметров и характеристик измерительных ТН в условиях эксплуатации.
-
Разработан алгоритм обработки результатов сравнительных испытаний и исследованы существующие методики определения метрологических характеристик ТН.
-
Показано, что предложенная методика обладает достаточной статистической стабильностью, простотой проведения и обработки результатов экспериментов.
-
Предложена методика и алгоритм обработки результатов экспериментальных исследований поведения ТН при различных уровнях несинусоидальности напряжения в электрических сетях.
-
Показано, что при проведении анализа качества электрической энергии, в частности при выявлении потребителей - источников токов высших гармоник необходимо измерение метрологических характеристик измерительных ТН.
Практическая ценность
Разработанная методика и алгоритм получения оценки метрологических параметров и характеристик ТН являются составной частью комплекса методических материалов по снижению потерь электроэнергии и проведению контроля и ан&тяза качества электрической энергии.
Разработанный и проверенный алгоритм и методика могут быть использованы эксплуатационным персоналом энергосистем и потребителей для оценки метрологических параметров и характеристик измерительных ТН. На основе этих данных возможно получение выводов о необходимости замены ТН, уменьшения их загрузки, возможности или невозможности подключения дополнительных устройств автоматики, релейной защиты телемеханики. Эти данные также могут быть использованы при разработке «Методик выполнения измерений» по ГОСТ Р 8.563-96, расчетах погрешностей измерения электроэнергии для выявления причин небаланса и расчета его допустимого значения, 5'рсгулирования взаимоотношении между продавцом и потребителем злектрігческой энергии.
Приведенные алгоритм, схемные решения и данные о результатах экспериментальных исследований ТН при несинусоидальных режимах
х> отт1^1.'пт1ххжпгчг1л\г ЛАта~\- »*ГіТ~їгг ТТЛ/"4їтїгїйттгтї» Гі^иЛиГїТї гтїТїГ ТТПТТІТЛУіЯі'*ЇЇЇТЯ^Н1»іл'
исследований по оценке влияния погрешностей ТН на точность учета злектрігческой энергии.
В работе показано, что в некоторых случаях возможно получение неверных выводов о виновниках нарушения качества злектрігческой энергии и о значениях долевого вклада потребителей - источников токов высших гармоник в такие ПКЭ, как коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, обусловленные погрешностями измерительных ТН.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийском научно-техническом семинаре «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике» (Москва, 19-23 апреля 1999 г.). Проект нормативного документа «Измерительные трансформаторы напряжения. Методика выполнения измерений параметров схем замещения в условиях эксплуатации» как рекомендации Госстандарта России докладывался 29 декабря 1999 г. на секции Уральского НИИ Метрологии и направлен на
отзывы. Работа, в целом, докладывалась, обсуждалась и получила одобрение на семинаре кафедры электрических машин Уральского государственного технического университета.
Публикации
Результаты работы опубликованы в шести статьях и одном нормативном документе Госстандарта России.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 161 страницу сквозной нумерации, в том числе 97 страниц основного текста (45 рисунков и б таблиц), список литературы из 65 наименований на 8 страницах, пять приложений на 56 страницах.
