Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ известных методов и средств калибровки высоковольтных измерительныхтрансформаторов напряжения 14
1.1 Систематизация методов и средств калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения 14
1.2 Метод непосредственного измерения напряжения эталонными средствами измерений в первичной и вторичной обмотках трансформатора напряжения 18
1.3 Дифференциально-нулевой метод калибровки трансформаторов напряжения
1.4. Метод компарирования токов 35
1.5. Выбор направления совершенствования методов и средств калибровки трансформаторов напряжения ., 45
Выводы к главе 1 47
Глава II. Теоретическое обоснование методов калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения 48
2.1. Разработка и исследование метода калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения с применением емкостного делителя напряжения, индуктивного делителя напряжения и компаратора токов 48
2.2. Разработка методов повышения точности средств калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения 57
2.3. Разработка и исследование метода калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения с применением емкостного делителя напряжения, многодекадного компаратора тока и составного воздушного конденсатора 65
2.4. Принципы построения средств калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения 70
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ II 80
ГЛАВА III. Теоретическое исследование метода и средств калибровки высоковольтных измерительныхтрансформаторов напряжения 81
3.1. Оценка систематических составляющих метода и средства калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения 81
3.2. Оценка систематических составляющих погрешности метода независимой калибровки емкостного делителя напряжения 90
3.3. Оценка систематических составляющих погрешности метода и средства калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения с применением многодекадного компаратора токов и составного воздушного конденсатора 93
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ III 96
ГЛАВА IV. Разработка передвижной самокалибруемой установки для калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения до 15 кв и экспериментальное исследование погрешности установки 97
4.1. Методика экспериментального исследования зависимости емкости конденсаторов ФГТ-И от приложенного напряжения 97
4.2. Разработка конструкции конденсаторов с системой экранов измерительной и эквипотенциальных цепей емкостного делителя напряжения , 101
4.3. Разработка конструкции емкостного делителя напряжения 104
4.4. Методика согласования емкостей конденсаторов измерительной и эквипотенциальной цепей емкостного делителя напряжения 106
4.5. Разработка конструкции компаратора токов 109
4.6. Разработка конструкции индуктивного делителя напряжения 114
4.7. Калибровки трансформатора напряжения типа И50 и определение случайных составляющих погрешности средства калибровки 115
4.8. Экспериментальное исследование погрешности средства калибровки измерительных трансформаторов напряженияметодом независимой калибровки 118
4.9. Внедрение метода и средства калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения и их место в практической метрологии 120
Выводы к главе iv 125
Заключение 127
Список литературы
- Дифференциально-нулевой метод калибровки трансформаторов напряжения
- Разработка методов повышения точности средств калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения
- Оценка систематических составляющих погрешности метода независимой калибровки емкостного делителя напряжения
- Разработка конструкции конденсаторов с системой экранов измерительной и эквипотенциальных цепей емкостного делителя напряжения
Дифференциально-нулевой метод калибровки трансформаторов напряжения
Среди недостатков метода, реализованного в данной установке, можно выделить следующие: необходимость сложного экранирования ЕДН; необходимость тщательного экранирования прибора сравнения (дифференциально - нулевого аппарата); невозможность экспериментального определения коэффициента деления ЕДН при рабочем напряжении; необходимость применения в низковольтовом плече ЕДН специального прецизионного магазина емкости; газонаполненные (под давлением) высоковольтные конденсаторы у нас в стране серийно не выпускаются. Кроме этого, следует отметить сложность применения установки с ЕДН с газонаполненными конденсаторами на стороне высокого напряжения для калибровки ТН на месте их эксплуатации. Это обусловлено тем, что высоковольтные конденсаторы, заполненные газом, нельзя транспортировать под давлением. Поэтому перед их транспортировкой необходимо производить выпуск газа из конденсатора в соответствии с инструкцией завода изготовителя.
Произведем анализ схем и конструкций емкостных делителей напряжения.
Емкостные делители напряжения можно разделить на две группы: делители с сосредоточенными и распределенными емкостями на стороне высокого напряжения [21, 22]. Первые состоят из одного конденсатора емкостью С1, изоляция которого рассчитана на полное измеряемое напряжение (рис. 7). Прецизионные емкостные делители могут быть изготовлены на основе измерительных конденсаторов высокого напряжения с газом под давлением. Плечо низкого напряжения с емкостью С2 располагается либо в заземленном фланце, либо под основанием конденсатора. В последнем случае пространст О венно разделенные плечи высокого и низкого напряжений должны быть соединены вертикальным проводом. В современных конструкциях используется элегаз. Преимущество делителя с конденсатором с газом под давлением определяется его линейностью, постоянством коэффициента деления независимо от окружающей обстановки и в незначительном обратном влиянии на источник напряжения.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте автоматизации средств метрологии (ВНИИАСМ) создан опытный образец газонаполненного конденсатора специальной конструкции(и=230кВ, С=40пФ, tg5=10"5).
Конденсатор был испытан в условиях тряски. Испытания показали стабильность всех параметров конденсатора.
Однако существенным недостатком такого конденсатора является то, что во время перевозки конденсатора с объекта на объект из него необходимо выпускать газ, а перед подготовкой к измерению снова наполнять. Это обусловлено тем, что газ под давлением в конденсаторе представляет собой серьезную опасность и перевозка газонаполненного конденсатора противоречит требованиям техники безопасности.
Так же следует отметить, что теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние годы, показали, что при напряженно-стях поля, значительно более низких по сравнению с пробивными, в газовой изоляции возможно существование токов утечки, обусловленных коронным разрядом на микронеровностях поверхности электродов [41, 42].
Результаты определения тангенса угла потерь и емкости конденсаторов при рабочих напряжениях с помощью высоковольтного трансформаторного делителя напряжения [11], аттестованного с высокой точностью, свидетельствуют о затруднениях применения в измерительных устройствах высоковольтных газонаполненных конденсаторов. Емкостные делители напряжения второго типа имеют на стороне высокого напряжения ряд последовательно соединенных конденсаторов, образующих емкость С1 (рис. 8). Как и для резистивного делителя, можно учесть роль распределенных емкостей (Сз) относительно земли. Эти емкости так же вызывают неравномерное распределение напряжения и соответствующее изменение коэффициента деления. Коэффициент деления емкостного делителя (U1/U2) с хорошим приближением описывается уравнением: их С, + с2 с3 —L«— -Q. + —2-) (6) U2 Сх 6С, w
Улучшение распределения напряжения вдоль составного ЕДН можно обеспечить в результате соответствующего подбора емкостей конденсаторов делителя, то есть делитель должен быть с неравномерным распределением емкостей по его длине.
Конденсаторы по сравнению с резисторами имеют незначительные остаточные параметры и слабовыраженную зависимость емкости от приложенного напряжения. Поэтому их целесообразно применять в составных делителях напряжения при разработке средств калибровки ТН [31].
Метод сличения с эталонным составным индуктивным делителем напряжения (ИДИ) с применением прибора сравнения основан на сравнении вторичного напряжения калибруемого ТН с напряжением на выходе ИДН при помощи прибора сравнения [11].
На основе данного метода УРЦСМ совместно с ВИСМ (г. Киев) разработал установку высшей точности для воспроизведения и определения масштабного коэффициента масштабных преобразователей (МП) высокого напряжения и передачи размера вольта в область высоких напряжений класса ПО кВ при частоте 50 Гц (рис. 9).
Разработка методов повышения точности средств калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения
Применение предложенного метода возможно при равенстве потенциала точек А и Б измерительной схемы, которое обеспечивается в результате ее балансировки.
Балансировка производится в следующей последовательности. Переключатель S3 ставится в положение 1, переключатели S1 и S2 - в положение 2. На ИДН выставляется коэффициент преобразования р = 1. Отношение плеч КТ выставляется равным единице, при этом переключатели квадратурной цепи компаратора токов S6, S7, S8 должны быть установлены в нулевое положение. Затем при помощи конденсатора переменной емкости Соп добиваются нулевого показания НИ компаратора токов. В процессе балансировки схемы, при равенстве нулю магнитного потока в КТ, исключаются (компенсируются) амплитудные погрешности ИДН, обусловленные шунтированном предыдущих каскадов делителя последующими и конденсатором Со; погрешности от утечек тока через паразитные емкости соединительных проводов на землю; угловая погрешность самого идн. Измерение коэффициента трансформации Кти калибруемого ТН по предложенной схеме состоит в следующем. Когда переключатели S2 и S3 на ходятся в положении 2, S1 -в положении 1, коэффициент преобразования рх ИДН регулируется таким образом, чтобы нулевой индикатор КТ показывал нуль. При отсутствии угловой погрешности ТН (переключатели S6, S7, S8 квадратурной обмотки КТ находятся в нулевом положении) и при плечевом отношении КТ, равном единице выполняется равенство: СХС2 1 CJCJ + CjC3 + С2С3 &тн Затем переключатель S3 переводится в положение 3. Коэффициент преобразования р2 ИДН регулируется до получения нулевого показания ин дикатора КТ. После этого составляется новое равенство:
Далее переключатели S1 и S3 переводятся в положение 2, S2 - в положение 1. Коэффициент преобразования рг ИДН регулируется до получения нулевого показания индикатора КТ и составляется новое равенство:
Рз(Рг-Рі) При измерении комплексного коэффициента трансформации ТН поправочным коэффициентом Q.5tg S в выражении (27) чаще всего можно пренебречь и определить его согласно выражению (26). Например, при угловой погрешности ТН, равной 20 минутам, методическая погрешность определения коэффициента трансформации ТН составляет менее 0.002%. При точных измерениях коэффициента трансформации необходимо вводить поправочный коэффициент. В таблице 1 приведены несколько значений поправочного множителя в диапазоне 0.. 100 минут.
Таблица Угловая по- грешность в 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 мин. Поправочный коэффициент 4.5 17 38 68 105 153 208 272 343 425 хЮ"6 Угловая погрешность калибруемого ТН определяется в процессе измерения рх и р2. Угловые погрешности при измерении рх и р2 должны быть равны, при этом их неравенство свидетельствует о наличии угловой погрешности ЕДН или его неисправности.
Определить коэффициент деления КщН емкостного делителя напряжения можно также, используя метод независимой калибровки, который состоит в сравнении емкостей конденсаторов ЕДН с емкостью выходного конденсатора делителя, которая является опорной емкостью, и определении отношения емкости выходного конденсатора ЕДН к емкости каждого из последо 56 вательно соединенных конденсаторов делителя. Метод независимой калибровки не требует сравнения с государственными эталонами и обеспечивает погрешность калибровки ЕДН не более 0.001%.
Процедура измерения Кщн емкостного делителя напряжения заключается в следующем. Производят балансировку схемы. Переключатель S3 ставят в положение 1, а переключатели S1 и S2 - в положение 2 (рис. 13) При помощи компаратора токов и индуктивного делителя напряжения уравновешивают схему. При этом отношение плеч КТ равно единице. Коэффициент преобразования ИДН также равен единице. Затем производят относительные измерения всех емкостей ЕДН по отношению к емкости конденсатора выходного плеча.
Коэффициент деления Кщцн емкостного делителя напряжения равен отношению суммы реактивных сопротивлений емкостей всех конденсаторов Zb Z2, ..., Zn, входящих в ЕДН, к реактивному сопротивлению Zn емкости выходного конденсатора делителя.
Оценка систематических составляющих погрешности метода независимой калибровки емкостного делителя напряжения
Теоретическое исследование и оценка погрешности метода калибровки ТН произведено на основе анализа уравнения измерения (25) и принципа построения средств калибровки ТН. В процессе разработки метода калибровки высоковольтных ТН приняты меры, позволяющие максимально снизить систематические погрешности, обусловленные зависимостью емкости конденсаторов от приложенного напряжения и паразитными емкостями элементов составного емкостного делителя напряжения на землю.
Общее выражение погрешности метода калибровки ТН с применением составного емкостного делителя напряжения, индуктивного делителя напряжения и компаратора токов, полученное как полный дифференциал выражения (25), имеет вид: dKT„ С, Cj dp, ,С7 C7 dp? C?+Cr, dp, л.тн с, с-з Р\ -ч з Рг з Ръ В соответствии с выражением (42), ожидаемая погрешность метода ка 2 2 2 либровки ТН пропорциональна отношению (т.к. ТГ ) Это оче Cj с, с3 видно для первых двух членов выражения (42). Для средств калибровки C2 ТН до 15 кВ отношение "рт" равно 6. Анализ выражений (25), (26), (28) показывает, что коэффициент трансформации калибруемого трансформатора напряжения Ктн и коэффициент деления напряжения КЕдН определяются по показаниям индуктивного делителя m напряжения рх, рг, ръ и отношению плеч — компаратора токов, то есть размер коэффициента трансформации КТн и коэффициент деления КщН передается от ИДН и КТ.
Погрешность передачи размера Ктн и КщН зависит так же от погрешностей, вносимых емкостным делителем напряжения ЕДН. Эти погрешности обусловлены зависимостью емкости конденсаторов ЕДН от приложенного напряжения, паразитными емкостями элементов ЕДН на землю, вызывающими утечки тока, зависимостью емкости конденсаторов от температуры и стабильностью емкости конденсаторов составного ЕДН за время измерений. Каждая из рассматриваемых составляющих погрешности метода калибровки ТН входит в погрешность измерения рх, р2, ръ индуктивного делителя напряжения. Поскольку размер КТн и Кщн обусловлен показаниями рх, р2, р3 ин_ m дуктивного делителя напряжения и отношением — компаратора токов, то высокая временная стабильность ЕДН не требуется. Стабильность ЕДН требуется только на время измерения коэффициента трансформации калибруемого ТН, равное 3-5 мин. Это обусловливает сравнительно низкую стоимость разработанного средства калибровки ТН по сравнению со стоимостью аналогичных зарубежных средств калибровки ТН.
Источники и границы составляющих погрешности метода и средства калибровки ТН с указанием методов их определения или снижения приведены в таблице 2.
Погрешность компаратора токов у кт определена экспериментально методом независимой калибровки, при котором ампер-витки каждой ступени КТ сравниваются с ампер-витками первой ступени одного из плеч КТ. Погрешность КТ в пределах чувствительности НИ не обнаружена. Поэтому погрешность укт принята равной погрешности НИ, обусловленной его нечувствительностью (Уш). То есть: Гкг= яя = ±Ы0-4%. С2 С учетом коэффициента влияния указанная погрешность возраста Ц ет в 6 раз: укт=±6-10-4%. Методика независимой калибровки компаратора токов приведена в параграфе 4.6. Погрешность индуктивного делителя напряжения У иди определена экспериментально с применением мостовой схемы, два плеча которой составляют плечи КТ, третье плечо - выходной конденсатор ЕДН, подключенный к первому плечу КТ, а четвертое плечо - индуктивный делитель напряжения ИДН и конденсатор в составе КТ, подключенный к выходу ИДН и ко второму плечу КТ (рис. 13). Погрешность индуктивного делителя напряжения ИДН составляет: ущн=±5-Ж %. С2 С учетом коэффициента влияния указанная погрешность возраста 1 етвбраз: Таблица Источники погрешностей Обозначение Граница погрешностей Граница погрешностей с учетом (42), % Методы определения или снижения погрешностей 1. Погрешность КТ Укт ±Ы(Г4 + 6-1(Г4 Определена экспериментально методом независимой калибровки 2. Погрешность ИДИ У идн ±5-КГ4 ±3-1(Г3 Определена экспериментально мостовым методом 3. Влияние изменения температуры воздуха в корпусе ЕДН на его погрешность Ух + 5 -Ю-4 ±3-1(Г3 Определена экспериментально 4. Влияние изменения напряжения на конденсаторах ЕДН при балансировке плеч компаратора и опре- Ун(р1,р2) ±5-1(Г4 ±3-1(Г3 Снижена за счет применения дополнительногоидн деление рх и р2 5. Влияние изменения напряжения на конденсаторах ЕДН при балансировке плеч компаратора и опре- Ун(рЗ) ±5-1(Г4 ±6-1(Г4 Снижена за счет применения дополнительногоидн деление Рз 6. Влияние неполного согласования измерительной и первой эквипотенциальных цепей Уне І2.7-10"4 ±1.6-10 3 Определена рас-четно-экспери-ментальным методом 7. Влияние утечек тока от паразитной емкости элементов ЕДН на землю Уп + 10.5-КГ4 ±6.3-ю-3 Определена рас-четно-экспери-ментальным методом Гщ =±3-10-3%. Далее оценим влияние изменения температуры окружающего воздуха на погрешность ЕДН. По паспортным данным температурный коэффициент емкости конденсаторов ТКЕ = 0.02 -—. Изменения температуры окружающего воздуха при применении термометра ТЛ-5 с ценой деления 0.05 С за время калибровки ТН (5 минут) не обнаружено. Примем изменение температуры окружающего воздуха равным половине цены деления термометра Л, = 0.025 С. Следовательно, указанная погрешность составляет: у, =5- 10 4 «/о. С учетом выражения (42): =3-10 3%.
Оценим погрешность метода калибровки ТН (ун), обусловленную изменением емкости конденсаторов ЕДН от приложенного напряжения при балансировке плеч компаратора токов и определении рх, р2 и р3.
Указанная погрешность при определении рх и р2 в диапазоне рабочих напряжений на каждом конденсаторе свыше 270 В определяется погрешностью входного дополнительного индуктивного делителя напряжения ДИДН на 600 В, который подключен по входу индуктивного делителя напряжения ИДН на 100 В. Погрешность H PW) ь определенная экспериментально, составляет: Гя(р«,р2)=±5.10-4%. С2 С учетом коэффициента влияния (выражение (42)) погрешность Ц возрастает: Гя(р1,р2)=±3.1(Г3%. Погрешность Ун(ръ) определенная экспериментально, составляет: Гщр3)=±5-Ю-4%. В соответствии с выражением (42), коэффициент влияния в данном С2+С2 случае равен —р; -1.2# Тогда с учетом коэффициента влияния указан ная погрешность составляет: Гя(р3)=±б-ю-4%.
Погрешность от влияния тока утечки вследствие неполного согласования измерительной и первой эквипотенциальной цепей ЕДН определена рас-четно-экспериментальным методом. Экспериментально мостовым методом определена емкость между электродом конденсатора измерительной цепи и экраном первой эквипотенциальной цепи, которая составляет Си, зі= = 40.4 пФ, а также емкость между экранами первой и второй эквипотенциальных цепей, которая составляет: СЭ1,Э2 = 6.2пФ. Емкости конденсаторов измерительной и первой эквипотенциальной цепей согласованы между собой с погрешностью не более ±0.1%. Максимальное падение напряжения на каждом конденсаторе составного ЕДН составляет 480 В, следовательно напряжение несогласования UHC 0.5 В. Ток несогласования (1Нс) равен: IHC=- f— = 6.5-\0-9(A) СИ,Э\ Погрешность от несогласования при рабочем токе через конденсаторы делителя 1р = 2 10 А для одного конденсатора не превышает: ГяС1=±з.з.ю-5%. Погрешность от несогласования для 36 конденсаторов возрастает. Считая, что погрешности в поле допуска распределены по закону равной вероятности [51, 52], определим суммарную погрешность от несогласования при доверительной вероятности а = 0.99: Гнс =1Л 36-у2НСЇ= 2.7-10-4%. С учетом выражения (42), погрешность несогласования составляет: Гяс=±1.6-10-3%. Погрешность метода калибровки ТН от влияния паразитной емкости элементов составного ЕДН на землю определяется в соответствии с рис. 21. Экспериментально установлено, что максимальное напряжение между контактными гнездами измерительной и второй эквипотенциальной цепи после подстройки элементов второй эквипотенциальной цепи составляет
Разработка конструкции конденсаторов с системой экранов измерительной и эквипотенциальных цепей емкостного делителя напряжения
Результаты теоретических и экспериментальных исследований и создание установки УПТН-1 для калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения (рис. 28) позволяют осуществлять калибровку лабораторных ТН в диапазоне до 15 кВ и измерительных ТН, применяемых для коммерческого учета электроэнергии на месте их эксплуатации.
Установка УПТН-1 внедрена в практику калибровки ТН в ЗАО «Калибр» (г. Самара) и НПФ «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.). Акты о внедрении установки УПТН-1 прилагаются (Приложение 5).
Опытный образец установки УПТН-1 в 1995 году выставлялся на Всероссийском выставочном центре (ВВЦ). Совет ВВЦ наградил автора и создателя УПТН-1 медалью «Лауреат ВВЦ» (Приложение 6).
Установка УПТН-2, предназначенная для калибровки ТН класса 35- 220 кВ на месте их эксплуатации, находится в стадии изготовления. Фотография емкостного делителя напряжения на 220 кВ приведена на рис. 29.
Для повышения точности коммерческого учета электрической энергии с применением установки УПТН-1 и без замены эксплуатирующихся ТН на более точные необходимо внести изменение в инструкцию по учету электри Рис. 28. Установка для калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения УПТН-1 « ческой энергии, заключающееся в следующем [5]: «В автоматизированных системах коммерческого учета электрической энергии применять действительное значение коэффициента трансформации, полученное при калибровке ТН и внесенное в свидетельство о калибровке».
Калибровка ТН должна проводиться в конкретных условиях эксплуатации с реальной нагрузкой во вторичной цепи калибруемого ТН. Важной предпосылкой и возможностью реализации такого пути является то, что ТН на 95% характеризуется систематическими погрешностями [5].
На высоковольтные измерительные трансформаторы напряжения Государственная поверочная схема отсутствует. Это обусловлено тем, что коэффициент трансформации ТН является безразмерной величиной. Разработанная установка УПТН-1 обеспечивает децентрализованное воспроизведение безразмерной единицы - коэффициента трансформации и ее передачу калибруемым ТН [28, 55].
Точность децентрализованного воспроизведения безразмерной единицы экспериментально подтверждена тем, что установка УПТН-1 основана на сочетании двух независимых один от другого методов: метода Льюиса и метода независимой калибровки.
Установка УПТН-1 выполнена с учетом требований ГОСТ 8.525-85 «Установки высшей точности для воспроизведения единиц физических величин».
Так как установки УПТН-1 и УПТН-2 предназначены для калибровки рабочих ТН класса 0.5 и ниже, применяемых для коммерческого учета электроэнергии, то разработанные установки должны иметь класс точности не ниже 0.1. Кроме этого, установка УПТН-1 предназначена для калибровки лабораторных ТН класса 0.1 в диапазоне до 15 кВ. Поэтому погрешность установки УПТН-1 не должна превышать 0.02 %.
Передвижная самокалибруемая установка для калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения до 15 кВ на месте их эксплуатации (шифр УПТН-1) разработана в соответствии с техническим заданием, согласованным с ГП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Передвижная самокалибруемая установка для калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения 35-220 кВ на месте их эксплуатации (шифр УПТН-2) разработана в соответствии с техническим заданием, утвержденным в РАО «ЕЭС России» и согласованным с ГП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Однако следует отметить, что в настоящее время отсутствует какая-либо нормативная документация, регламентирующая процедуру проведения калибровки ТН на месте их эксплуатации с реальной нагрузкой во вторичной цепи калибруемого ТН.
Не решен вопрос о статусе передвижной калибровочной лаборатории: в чьем ведении она должна находиться; каков должен быть порядок взаимодействия органов Госстандарта и энергосистем при проведении калибровочных работ? Должны быть урегулированы так же организационные вопросы: проведение калибровок по графику, соответствующему плановым отключениям тех или иных участков на действующих подстанциях; участие в обеспечении калибровочных работ технического персонала подстанций; обеспечение безопасности работ [1]. Таким образом, внедрение установки УПТН-1 обеспечивает возможность реализации калибровки ТН на месте их эксплуатации.
