Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса измерений относительных величин электроэнергетике 17
1.1. Области применения измерительных масштабных преобразователей в электроэнергетике 17
1.2. Методы измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения 19
1.3. Методы измерения коэффициентов преобразования измерительных шунтов постоянного тока 45
1.4. Методы измерения коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов апряжения 57
1.5. Методы измерения коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов тока 71
Основные результаты и выводы по главе 1 81
Глава 2. Развитие теории измерений коэффициентов реобразования измерительных масштабных реобразователей 82
2.1. Проблемы измерений относительных (безразмерных) величин электроэнергетике 82
2.2. Развитие теории тестовых методов измерения электрических величин 85
2.3. Разработка и исследование комбинированного метода измерения коэффициентов преобразования измерительных асштабных преобразователей 100
Основные результаты и выводы по главе 2 145
Глава 3. Измерение коэффициентов преобразования измерительных асштабных преобразователей постоянных высоких апряжений и больших токов 147
3.1. Измерение коэффициентов преобразования (деления) высоковольтных делителей постоянного напряжения 147
3.2. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения 170
3.3. Измерение коэффициентов преобразования (шунтирования) шунтов постоянного тока 185
3.4. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования унтов постоянного тока 198
Глава 4. Измерение коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей переменных ысоких напряжений и больших токов 205
4.1. Измерение коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов напряжения 205
4.2. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования измерительных трансформаторов напряжения 249
4.3. Измерение коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов тока 270
4.4. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования змерительных трансформаторов тока 284
Глава 5. Практическая реализация средств поверки (калибровки) измерительных масштабных реобразователей 291
5.1. Средства поверки (калибровки) измерительных трансформаторов апряжения 291
5.2. Средства поверки (калибровки) измерительных рансформаторов тока 342
5.3. Средства калибровки высоковольтных делителей постоянного напряжения 348
Основные результаты и выводы по главе 5 358
Заключение 360
Перечень основных сокращений и обозначений 364
Список литературы 365
Приложения 3 82
- Методы измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения
- Разработка и исследование комбинированного метода измерения коэффициентов преобразования измерительных асштабных преобразователей
- Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения
- Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования измерительных трансформаторов напряжения
Введение к работе
Проблемы обеспечения единства измерений в области измерительной техники, предназначенной для коммерческого и технического учёта электроэнергии в электроэнергетической отрасли России, продолжительное время считались второстепенными и малозначащими. На протяжении десятков лет этой проблеме не уделялось достаточного внимания [13, 53], что объяснялось якобы стабильными метрологическими характеристиками измерительных масштабных преобразователей (трансформаторов напряжения и тока), низкой стоимостью электроэнергии и сложностью решения проблемы.
В электроэнергерике в настоящее время периодической поверкой (калибровкой) на местах эксплуатации охвачены только счётчики электроэнергии. Измерительные трансформаторы тока и напряжения, высоковольтные делители напряжения работают на энергообъектах по 15-30 и более лет без периодической поверки. Источники возникновения погрешностей высоковольтных измерительных трансформаторов при их эксплуатации известны: из-за старения материалов, нарушения условий и электрических режимов работы погрешности трансформаторов могут превышать допускаемые пределы в несколько раз. Стоящая последние 15-20 лет задача обеспечения периодической поверкой измерительных масштабных преобразователей на местах их эксплуатации не решается [13, 53,63,67,97,99,104].
Однако развитие энергетики в рыночных условиях и связанное с этим повышение точности и достоверности коммерческого учёта электрической энергии приводит к необходимости совершенствования метрологической базы в области высоковольтной измерительной техники на постоянном и переменном токе.
В соответствии с законами РФ «Об обеспечении единства измерений», «Об энергоснабжении», рядом других нормативных документов средства измерений, используемые для коммерческого учёта электрической энергии и обеспечения безопасности, подлежат обязательному государственному контролю и надзору.
Однако необходимо сказать, что потребность в поверке средств измерений в электроэнергетике диктуется сегодня не только (и не столько) буквой закона [54], но, прежде всего, технической и экономической целесообразностью [28].
До конца 80-х годов прошлого века доля электроэнергии в себестоимости промышленной продукции составляла несколько процентов и не превышала 16-28 % даже в энергоёмких производствах, таких как электролиз алюминия. При этом объёмы электроэнергии, относимые к потерям, составляли порядка 9-14%, что не создавало экономической заинтересованности в повышении точности и достоверности учёта. В настоящее время доля энергоресурсов в себестоимости машиностроительной продукции возросла до 20 % и выше, а в энергоёмких отраслях (электролиз алюминия) - до 60 %. Увеличились до 25-30 % и объёмы электроэнергии, относимые к потерям в энергосистемах, что создаёт экономическую необходимость сделать «прозрачными» составляющие прямых экономических потерь, как у потребителей, так и у поставщиков и производителей электроэнергии [87].
Как показывают результаты проведённых за рубежом исследований (Словакия, США, Швеция, Украина), до 30-40 % находящихся в эксплуатации измерительных трансформаторов обладают погрешностями, превышающими установленные пределы, нередко - в несколько раз [87]. Аналогичные исследования проводились и в нашей стране [52, 68, 69, 85, 139]. Это свидетельствует о низкой точности измерения и недостоверности коммерческого учёта огромного потока электрической энергии, а так же обактуальности проблемы.
Существенно заметить, что электроэнергия постоянного тока составляет значительную долю в объеме всей электроэнергии, вырабатываемой в России (около 40 %). Её довольно широко используют в энергетике и в современной промышленной технологии, например, в электрометаллургии, при получении цветных металлов и некоторых химических продуктов методом электролиза из расплавов или растворов, нанесении покрытий методами гальваники, на электрифицированном железнодорожном, шахтном и городском транспорте и т.д. Как правило, названные технологические процессы основаны на использовании тока силой в сотни, тысячи, а также десятки и сотни тысяч ампер [148]. При этом вопросам поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей постоянных высоких напряжений и больших токов также не уделяется должного внимания.
Необходимо отметить еще один аспект данной проблемы. Поскольку измерительная техника, применяемая в электроэнергетике, в основном является нетранспортабельной [87], то поверку (калибровку) средств измерений (в частности, высоковольтных) целесообразно проводить на местах их эксплуатации с применением передвижных средств поверки (калибровки) без демонтажа и при минимальном времени вывода указанных средств из эксплуатации.
По этому пути идёт развитие программы метрологического обеспечения высоковольтной измерительной техники в ведущих метрологических организациях мирового сообщества. Ведущие приборостроительные фирмы мира, такие как Guildline Instruments (Канада), Landis&Gyr (Швейцария), Tettex AG (Швейцария), Siemens (Германия), Messwandler-Bau (Германия) и др. ведут поиск путей совершенствования методов и средств калибровки высоковольтной измерительной техники именно в этом направлении [51].
Из всех задач, связанных с повышением точности коммерческого учёта электроэнергии, задача обеспечения поверки (калибровки) высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения и тока непосредственно на местах их эксплуатации, а также задача обеспечения калибровки высоковольтных делителей постоянного тока и шунтов постоянного тока носят первостепенный характер.
Успешное решение проблемы повышения точности коммерческого учёта электрической энергии требует, с одной стороны, дальнейшего повышения точности средств измерений электрической энергии -счётчиков электрической энергии, измерительных трансформаторов напряжения и тока, высоковольтных делителей напряжения, с другой стороны, приводит к необходимости совершенствования метрологических характеристик средств поверки и калибровки указанных средств измерений на месте их эксплуатации.
Поэтому первоочередной задачей в деле метрологического обеспечения коммерческого учёта электроэнергии является разработка мобильных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей, позволяющих проводить поверку измерительных масштабных преобразователей на месте их эксплуатации в нормальных для них рабочих условиях и обладающих по сравнению с известными улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Создание средств поверки (калибровки) такого типа обеспечивает возможность повышения точности учёта электрической энергии без замены эксплуатирующихся трансформаторов тока и напряжения на более точные, что может быть обеспечено путём использования действительного значения коэффициента трансформации измерительных трансформаторов при расчётах электроэнергии. При этом коэффициент трансформации измерительных трансформаторов определяется в конкретных условиях эксплуатации с реальной нагрузкой во вторичной цепи трансформатора [97,И9].
Решение проблемы создания мобильных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей на местах их эксплуатации связано с поиском путей совершенствования существующих методов поверки и разработкой новых методов и принципов построения средств поверки (калибровки), которые обеспечивают возможность экспериментального определения погрешностей указанных средств в рабочих условиях эксплуатации, так как известные средства поверки высоковольтных масштабных преобразователей имеют общий недостаток - невозможность экспериментального определения их погрешностей независимым методом. Погрешности указанных средств могут быть оценены только на основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования.
Кроме этого, в такой стране как Россия целесообразно децентрализованное воспроизведение безразмерной единицы -коэффициента преобразования и её передача поверяемым (калибруемым) измерительным масштабным преобразователям.
Актуальной проблемой научных исследований является разработка децентрализованной системы воспроизведения и передачи размеров единиц на основе более активного использования автономных средств поверки и самоповерки [81, 151]. Несмотря на то, что самоповерка (независимая поверка) средств измерений изучена, казалось бы, детально, выявилось, что многие вопросы независимой поверки разработаны недостаточно. В частности, наибольшие трудности представляют вопросы независимой поверки масштабных преобразователей переменных высоких напряжений и больших токов [64].
Существует еще ряд теоретических и практических аспектов, которые ограничивают точность средств поверки измерительных масштабных преобразователей. Один из них - это оценка погрешностей средств поверки измерительных масштабных преобразователей на основе теоретического анализа составляющих погрешности. Как показывает практика, теоретическая оценка погрешности высоковольтных средств измерений, основанная на анализе уравнения измерения и поэлементном экспериментальном исследовании, является необходимой, но совершенно недостаточной.
Анализ источников [21,29, 60-62, 84, 135, 152,153, 161] показал, что наиболее перспективным с точки зрения создания наиболее эффективных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей является разработка новых методов и принципов построения средств измерений, которые реализуют возможность проверки метрологической исправности средств поверки в процессе их эксплуатации и обеспечивают возможность децентрализованного воспроизведения единиц относительной величины - коэффициентов преобразования. В связи с этим вполне понятно, что разработка методов и создание средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей (измерительных трансформаторов тока и напряжения, высоковольтных делителей напряжения, измерительных шунтов) в широком диапазоне напряжений и токов, в особенности передвижных, которые должны иметь устойчивость к вибрации, сравнительно небольшую массу при высокой точности и возможности их независимой поверки, связана с преодолением ряда теоретических и практических трудностей.
Значительный вклад в развитие теории и практики поверки средств измерений в разное время внесли такие зарубежные и отечественные учёные и специалисты как Kusters N. L., Peterson О., Lewis R. N., Hill D.,
Карандеев К. Б., Волгин Л. И., Тарбеев Ю. В., Рождественская Т. Б., Бажов В. М., Спектор С. А., Векслер М. С, Загорский Я. Т., Копшин В. В., Мчедлидзе Г. В., Тавдгиридзе Л. Н., Дудкевич Б. Н., Хахамов И. В. и др.
Существует большое количество частных решений задач метрологического обеспечения измерительных масштабных
преобразователей, которые анализируются в соответствующих разделах. Однако они не систематизированы. Отсутствует единый подход к реализации процедур поверки (калибровки). Выбор средств измерений часто произволен, что снижает достоверность получаемых результатов. В то же время число фундаментальных исследований, посвященных решению задач метрологического обеспечения измерительных масштабных преобразователей невелико и они не отражают последние достижения в этой области.
Цель работы состоит в развитии методологической и теоретической основ проектирования эталонных средств измерений, обеспечивающих децентрализованное воспроизведение и передачу размеров относительных единиц измерительным масштабным преобразователям и реализующих возможность автономного поддержания единства измерений в процессе эксплуатации.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач: анализ методов измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей для обоснования основного направления работ;
- развитие теории измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей на основе избыточности измерений;
- разработка, теоретическое и экспериментальное исследование методов измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения, измерительных шунтов постоянного тока, измерительных трансформаторов тока и напряжения;
- разработка основных технических решений для создания мобильных эталонных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей на постоянном и переменном токе.
Методы исследований. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теории тестовых методов повышения точности измерений с использованием положений теоретической метрологии, элементов математической статистики, дифференциального исчисления и математического моделирования, а также экспериментальном исследовании всех предложенных в работе методов измерений и последующих испытаниях аппаратуры, реализующей эти методы. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакетов программ MathCAD и MathLAB. В работе также использован опыт, накопленный в результате разработки, изготовления и внедрения средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Пензенском государственном университете и Научно-производственной фирме «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.).
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Предложен, разработан и теоретически исследован комбинированный метод измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей на основе избыточности измерений, получены общие уравнения измерения коэффициентов преобразования и уравнения погрешности. Показана возможность реализации на основе предложенного метода всех типов средств измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей.
2. Разработаны и теоретически обоснованы методы измерения коэффициентов деления высоковольтных, реализующие в своей основе комбинированный метод измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, основанные на применении в качестве эталонных средств измерений резистивных высоковольтных делителей постоянного напряжения с распределенными параметрами, высоковольтных делителей постоянного напряжения на основе стабилитронов, батарей сухих элементов с устройствами сравнения в виде прецизионных компараторов напряжений или прецизионных компараторов токов совместно с преобразователями напряжений.
3. Предложены, разработаны и теоретически исследованы методы измерения коэффициентов шунтирования шунтов постоянного тока на основе тестового метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, с применением в качестве эталонных средств измерений составных мер сопротивления с ненормируемой погрешностью и устройств сравнения в виде компараторов напряжений или компараторов токов.
4. На основе комбинированного метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей разработаны и теоретически обоснованы методы измерения коэффициентов трансформации однофазных и трехфазных измерительных трансформаторов напряжения, основанные на применении в качестве эталонных средств измерений емкостных или индуктивных делителей напряжения с распределенными параметрами и компараторов токов.
5. Предложены, разработаны и теоретически исследованы методы измерения коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов тока на основе тестового метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, основанные на применении в качестве эталонных средств измерений составных мер сопротивления с ненормируемои погрешностью и компараторов тока.
6. Предложенные методы измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей доведены до практических рекомендаций по применению.
7. Разработаны принципы построения средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей постоянных и переменных высоких напряжений и больших токов.
Практическое значение и реализация результатов работы.
1. Теория, разработанные методы и принципы построения средств измерений положены в основу создания мобильных эталонных средств измерений для поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей постоянных и переменных высоких напряжений и больших токов на местах их эксплуатации в рабочих условиях.
2. В период с 2000 по 2005 г. разработаны и внедрены в производство в научно-производственной фирме «ИНТ» передвижные установки для поверки измерительных трансформаторов напряжения УПТН-1 (сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.34.004.A №14258), УПТН-35 (сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.34.001A №18616), УПТН-2.
3. Установка УПТН-1 внедрена в метрологическую практику в ОАО «ПЕНЗАЭНЕРГО» (г. Пенза), ЗАО «КАЛИБР» (г. Самара), ООО НПФ «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.), установка УПТН-35 - в ФГУ «Астраханский ЦСМ» (г. Астрахань), ООО «Электротехник» (г. Воронеж) и ООО НПФ «ИНТ», установка УПТН-2 - в ООО НПФ «ИНТ».
4. В результате проведенных теоретических и практических исследований также разработаны следующие средства измерений: макетный образец установки для поверки трехфазных измерительных трансформаторов напряжения УПТН-10-3;
- макетный образец установки для калибровки измерительных трансформаторов напряжения частот 50-2000 Гц УКТН-ЮД;
- макетный образец установки для поверки измерительных трансформаторов тока УПТТ-20;
- установка для калибровки высоковольтных делителей постоянного напряжения УКДН-30.
Установка УКДН-30 внедрена в метрологическую практику в ФГУП «НИИЭМП» (г. Пенза), «Юго-Восточная железная дорога» - филиал ОАО «РЖД», ООО НПФ «ИНТ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на отечественных международных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах, а также на ежегодных научно-технических конференциях Пензенского государственного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 51 печатных работ, в том числе 1 монография, 16 статей в журналах по списку ВАК, 12 патентов РФ на изобретение и 3 свидетельства РФ на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка из 172 наименования и приложений. Общий объем работы - 4 страниц. Библиографический список и приложения выполнены на 41 странице.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Анализ проблем и постановка задач измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, предназначенных для коммерческого и технического учета электроэнергии.
2. Теоретическое обоснование метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей на основе комбинации тестового метода измерения и метода независимой поверки.
3. Новые методы измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей постоянных и переменных высоких напряжений и больших токов, реализующие предложенный метод измерения.
4. Средств измерений - мобильные установки для поверки (калибровки) измерительных трансформаторов тока и напряжения, высоковольтных делителей постоянного напряжения.
Методы измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения
При измерении высоких постоянных напряжений широко используются резистивные делители постоянного напряжения. Обычно высоковольтное плечо делителей набирается в виде цепочки резисторов, размещаемых по образующей цилиндра и далее помещенных в масло, чтобы избежать корониро-вания, а также для лучшего теплоотвода. Резисторы могут быть выполнены из углеродистых пленочных, металлических пленочных, композиционных, проволочных и микропроволочных сопротивлений [32].
Однако при вертикальном расположении резисторов трудно обеспечить одинаковый нагрев элементов, - вверху нагрев будет больше. Также влияние на точность коэффициента деления оказывает появление короны в местах высокого градиента потенциала и токи утечки по изоляционным элементам конструкции. Для уменьшения этих составляющих погрешности при конструировании делителей принимаются меры по равномерному распределению потенциала между элементами, по установке электростатических экранов, по использованию высококачественных изоляционных материалов. Высоковольтные делители постоянного напряжения создаются до напряжений 4-5 MB.
Делители постоянного напряжения - наиболее широко распространенные средства измерений высокого постоянного напряжения - при их принципиальной простоте с большим трудом поддаются аттестации в силу специфических условий их работы при воздействии высоких рабочих напряжений. Это связано с неподдающимися эффективному контролю изменениями сопротивления их элементов при высоком напряжении, вызванных следующими причинами:1. Нагрев проводов или иных элементов, из которых изготовлены резисторы, вследствие выделения мощности. Этот эффект наблюдается и при низких напряжениях, но рассеиваемая мощность на резистивных элементах увеличивается при высоких напряжениях, поскольку иаче пришлось бы иметь дело со слишком большим числом резистивных элементов.2. Появление токов утечки по поверхности изоляционных элементов конструкции. В этом же ряду стоят кажущиеся утечки, связанные с токами смещения в опорных изоляционных конструкциях. Высококачественные изоляторы могут иметь постоянные времени заряда, равные нескольким часам (благодаря малым диэлектрическим потерям), и в течение всего этого времени будет наблюдаться изменение сопротивления элементов.3. Появление коронных разрядов в местах высокой напряженности поля на элементах конструкции. В точках короны появляются токи короны, замыкающиеся через изоляционную среду (в том числе воздух) на землю, а в случаях скопления на частях конструкции ионов противоположного по отношению к точке короны заряда между такими точками замыкаются токи короны. Токи короны изменяют эффективное сопротивление элементов, создают радио- и высокочастотные помехи в аппаратуре, используемой при проведении калибровки, что сильно сказывается на точности измерений. Причинами искровых и коронных разрядов могут быть космические излучения или фоновая радиация. Это объясняет случайность возникновения таких помех и трудность борьбы с ними.
Стремление уменьшить нагрев резисторов при высоком напряженииприводит к тому, что их сопротивление увеличивают до 1-10 МОм/1 кВ. Рабочие токи при этом становятся соизмеримыми с токами утечки и короны. С другой стороны, высоковольтные делители имеют большие габариты. Высокое их сопротивление и значительные пространственные размеры делают их весьма эффективными антеннами, принимающими значительные уровни помех и наводок от большого числа источников электромагнитных полей, обычно имеющихся в высоковольтных залах, где чаще всего используются высоковольтные делители. Эти обстоятельства привносят дополнительные трудности в процесс проведения калибровки высоковольтных делителей постоянного напряжения.
К настоящему времени разработано и реализуется в метрологической практике достаточно большое количество различных методов измерения коэффициентов преобразования (методов калибровки) высоковольтных делителей постоянного напряжения (ДН) [14-17, 40, 43, 44, 46, 47, 51, 59, 143, 168-172].
Все основные методы, применяемые для измерения коэффициентов преобразования ДН, можно подразделить на две группы:1. Методы непосредственной оценки.2. Методы сравнения с мерой (компенсационные методы).
При рассмотрении отдельных методов каждой группы будем учитывать следующие существенные признаки:1. Обеспечивают ли данные методы возможность измерения коэффициентов деления ДН в рабочих условиях эксплуатации?2. Существует ли возможность экспериментальной оценки погрешностей средств измерения, реализующих данные методы?Метод непосредственного измерения входного и выходного напряжений ДН
Разработка и исследование комбинированного метода измерения коэффициентов преобразования измерительных асштабных преобразователей
В результате проведенных исследований предложен комбинированный метод измерения коэффициентов преобразования МП, основанный на совместном использовании метода независимой поверки и тестового метода измерений, при этом передача размера единицы относительной величины (коэффициента преобразования) от эталонного МП исследуемому МП обеспечивается по определенному алгоритму: основной этап измерения, мультипликативное тестовое воздействие иаддитивное тестовое воздействие. Особенность предлагаемого методаизмерения заключается в том, что в результате измерения коэффициента преобразовании исследуемого МП тестовым методом производится также измерение коэффициента преобразования эталонного МП, при этом же измерение коэффициента преобразования эталонного МП может быть осуществлено двумя независимыми один от другого методами - тестовым методом и методом независимой поверки. Как будет показано далее, метод независимой поверки является более точным методом измерения коэффициентов преобразования МП, в результате чего существует возможность контролировать коэффициент преобразования эталонного МП после каждой операции измерения, то есть проверки метрологической исправности средства измерения в процессе эксплуатации.
Предложенный подход, помимо прочего, дает возможность значительно увеличить межповерочные интервалы при эксплуатации эталонных МП (высоковольтных делителей напряжения постоянного тока, шунтов постоянного тока, измерительных трансформаторов тока и напряжения), входящих в состав средств измерений, за счет встроенных средств независимой (автономной) поверки. В результате такой композиции методов измерения реализуется возможность автономного поддержания единства измерений в процессе эксплуатации средств измерений [70, 81].
Структурная схема, иллюстрирующая предлагаемый методизмерений коэффициентов преобразования МП (рис. 2.4), содержитэталонный масштабный преобразователь МП0 с переменнымкоэффициентом преобразования, исследуемый масштабныйпреобразователь МПХ и устройство сравнения УС. Изменение коэффициентов преобразования эталонного масштабного преобразователя МПо в данном случае осуществляется путем комбинирования звеньев Зі, 32, Зз, входящих в состав МП0. При этом важно отметить, что знать точные значения коэффициентов преобразования эталонного МП не требуется
Измерение коэффициента преобразования Кх исследуемого измерительного масштабного преобразователя МПХ, как отмечалось выше, производится в три этапа: основной этап измерения, мультипликативный тест и аддитивный тест.
На первом основном этапе на эталонном масштабном преобразователе МПо устанавливается коэффициент преобразования К/, номинально равный коэффициенту преобразования Кх исследуемого масштабного преобразователя МПХ, при этом эталонный масштабный преобразователь МПо образован звеньями Зі, 32, 33 (ключ Кл\ - замкнут, ключи Кл], Клз, Кл4 - разомкнуты). На измерительные масштабные преобразователи МПо и МПХ от источника сигнала ИС подается входной сигнал X. Выходные сигналы Y,., и Y2 с выходов эталонного и исследуемого МП подаются на устройство сравнения УС. Выполняется равенство:где р\ = Yi.02 - отношение сигналов на выходах поверяемого (калибруемого) и эталонного масштабных преобразователей МПХ и МП0 на первом этапе измерений.
На втором этапе измерений вводится мультипликативный тест в виде изменения коэффициента преобразования эталонного масштабного преобразователя МПо с К\ на К2, при этом коэффициент преобразования Кг К\ (изменение коэффициента преобразования эталонного масштабного преобразователя производится путем отключения изизмерительной цепи звена 32; ключи fOi], Клз - замкнуты, ключи Клъ, Кл4 разомкнуты). На эталонный и исследуемый масштабные преобразователи МП0 и МПХ подается исходный входной сигнал X. Сравнивая выходные сигналы эталонного и поверяемого (калибруемого) масштабных преобразователей Yj.2 и Y2 посредством устройства сравнения УС, получим новое равенство:
На третьем этапе измерений вводится аддитивный тест: входной сигнал X подается только на исследуемый масштабный преобразователь МПХ, выходной сигнал с которого подается на устройство сравнения и на вход эталонного масштабного преобразователя МП0. Коэффициент преобразования эталонного масштабного преобразователя МПо изменяется в этом случае с К2 на К (эталонный масштабный преобразователь МПо в данном случае образован звеньями 32, Зз , ключи Кл2, Кл4 - замкнуты, ключи Клі„ Кл3 - разомкнуты), при этом номинальные значения коэффициентов преобразования К\, Кг и К3 связаны между собой генерирующим соотношением:
Здесь также следует отметить, что коэффициент преобразования эталонного МП на третьем этапе измерений можно определить методом независимой поверки (в случае применения в качестве эталонных средств измерений делителей напряжения). Подробно метод независимой поверки будет рассмотрен ниже.
Из совместного решения уравнений (2.26), (2.27), (2.28), (2.29), опуская промежуточные преобразования, функция преобразования или коэффициент преобразования Кх исследуемого измерительного масштабного преобразователя МПХ определяется как
Коэффициент преобразования Кх исследуемого МП в данном случае не зависит от точного значения коэффициента преобразования эталонного МП и определяется только показаниями устройства сравнения, что достигается в результате наличия в измерительной системе структурной избыточности измерений. В процессе измерения коэффициента преобразования исследуемого масштабного преобразователя МПХ происходит также определение действительного значения коэффициента преобразования эталонного масштабного преобразователя МП0, что дает возможность проверки метрологической исправности средств измерений в процессе эксплуатации. Это становится очевидно, если подставить уравнение (2.30) в уравнение (2.26): то есть коэффициент преобразования эталонного масштабногопреобразователя МП0 также определяется по показаниям устройствасравнения р\, р2, рг в процессе измерения коэффициента преобразованиямасштабного преобразователя МПХ.
Таким образом, три полученных при помощи устройства сравнения значения ph р2, рз отношений сигналов на выходах исследуемого и эталонного масштабных преобразователей МПХ и МП0 с высокой точностью, а точность измерения в данном случае определяется классом точности устройства сравнения (заметим, что применяемые в качестве устройств сравнения компараторы токов и напряжений имеют как правило класс точности не ниже 0,005), определяют значение коэффициентов преобразования исследуемого и эталонного МП.
В дальнейшем, при использовании разработанного метода для измерения коэффициентов преобразования конкретных измерительных масштабных преобразователей (высоковольтных делителей постоянного напряжения, шунтов постоянного тока, измерительных трансформаторов тока и напряжения)
Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения
Теоретическое исследование и оценку погрешности метода калибровки ДН с применением эталонного резистивного ДН и компаратора напряжения проведем на основе анализа уравнения измерения (3.10) и принципа построения средств калибровки ДН. В процессе реализации метода калибровки и разработки средства калибровки ДН были приняты конструктивные меры, позволяющие максимально снизитьсистематические погрешности, обусловленные явлением короны в местахвысокого градиента потенциала и утечками тока через опорные изоляторы.
Общее выражение погрешности измерения коэффициентов деленияДН по предложенному методу в предположении равномерногораспределения ее составляющих в поле допуска при доверительнойвероятности Р=0,99 имеет вид: В соответствии с выражением (3.38), отдельные составляющие систематической погрешности измерения коэффициента деления калибруемого ДН в наихудшем случае будут пропорциональны весовому коэффициенту при первом члене выражения (3.38). В соответствии с положениями, изложенными в главе 2, будем рассматривать наихудший случай, когда отношение коэффициентов преобразования эталонного ДН К\/К2 1,1, то есть коэффициент влияния при первом члене подкоренного выражения (3.38) в данном случае равен 10.
Суммарная погрешность измерения коэффициента деления калибруемого ДН (на напряжение до 30 кВ) обусловлена влиянием следующих факторов:- погрешностью, вносимой компаратором напряжений;- погрешностью, обусловленной утечками тока с элементов эталонного ДН вследствие неполного согласованием измерительной и эквипотенциальной епей вспомогательного ДН;- погрешностью, связанной с изменением тока в резистивных элементах R1 и R3, R4 при определении р2\- погрешностью метода независимой поверки при определении рз,- температурной погрешностью, обусловленной изменением температуры окружающего воздуха; - погрешностью, обусловленной нестабильностью источникапостоянного напряжения.
Погрешность компаратора напряжений, как отмечалось в параграфе, исключается за счет того, что показания рядов компаратора напряжений при определении pi, р2 совпадают как минимум в трех старших разрядах.
Поскольку размер коэффициента деления калибруемого ДН обусловлен показаниями ph р2, рз компаратора напряжений, то высокая временная и температурная стабильность вспомогательного ДН не требуется. Стабильность делителя необходима только на время измерения коэффициента деления калибруемого ДН, равное 3-5минут.
Влияние нагрева резистивных элементов вспомогательного ДН сведено к минимуму путем тщательного подбора температурного сопротивления резисторов в измерительной цепи делителя.
Влияние токов короны в местах высокой напряженности поля сведено к минимуму с помощью высокополированных некоронирующих электродов.
Погрешность, обусловленная нестабильностью источника постоянного напряжения, носит явно случайный характер, тогда как остальные составляющие погрешности метода калибровки являются систематическими.Погрешность от влияния неполного согласования измерительной и эквипотенциальной цепей вспомогательного ДН определена расчетно-экспериментальным методом и составляет
С учетом коэффициента влияния (выражение (3.38)) погрешность возрастает.Погрешность, обусловленная изменением тока в резистивныхэлементах R1 и R3 при замыкании R2 в процессе определения р2 приусловии, что имеет место соотношение R2 0,1-Rl, определеннаяэкспериментально, составляетС учетом коэффициента влияния указанная составляющая погрешности составит
Поскольку на первом этапе измерений производится определение коэффициента деления ДН, образованного резистивными элементами R2, R3, R4 ((R2+R3+R4)/(R3+R4)), то в данном случае имеет место погрешность определения коэффициента деления ДН методом независимой поверки.
Уравнение измерения запишем в виде:где RN - сопротивление резистора выходного плеча ДН или цепочки низковольтных резистивных элементов;Ri - сопротивление резистора измерительной цепи ДН;U„ и Uj - показание соответственно первого и второго рядов компаратора напряжений;Общее выражение погрешности измерения коэффициента деления низковольтного ДН методом независимой поверки, полученное на основе анализа выражений (2.45), (3.39), имеет вид: Погрешность метода независимой поверки обусловлена в основном погрешностью, вносимой компаратором напряжений, и влиянием изменения температуры окружающего воздуха.
Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования измерительных трансформаторов напряжения
Теоретическое исследование и оценку погрешности метода поверки ТН с применением ЕДН, ИДИ и КТ проведем на основе анализа уравнения измерения (4.10) и принципа построения средств поверки ТН. В процессе разработки метода поверки 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, полученное из разложения в ряд
Тейлора выражения (4.10), при равномерном распределении составляющихпогрешности в поле допуска при доверительной вероятности Р=0,99 имеетвид:), значения составляющих систематической погрешности измерения коэффициентов трансформации ТН в наихудшем случае будут пропорциональны весовому коэффициенту при первом члене уравнения погрешности. Это справедливо для первых двух членов выражения (4.32). Для средств поверки ТН на напряжения до 15 кВ значение весового коэффициента равно 6.
Анализ выражений (4.10), (4.11), (4.13) показывает, что коэффициент трансформации поверяемого ТН и коэффициент деления ЕДН определяются по показаниям индуктивного делителя напряжения /?/, / и рз и отношению плеч КТ, то есть размер коэффициента трансформации KTV и коэффициент деления Кцс передается от ИДН и КТ.
Погрешность передачи размера КТу и Кис зависит так же от погрешностей, вносимых ЕДН. Эти погрешности обусловлены зависимостью емкости конденсаторов делителя 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 поверки ТН входит в погрешность измерения pi, р2 и рз индуктивного делителя напряжения.
Поскольку размер KTV и Кис обусловлен показаниями pi, р2 и pi индуктивного делителя напряжения и отношением плеч КТ, то высокая временная и температурная стабильность ЕДН не требуется. Стабильность делителя необходима только на время проведения измерений, то есть на 3-5 мин.
Погрешность компаратора тока yPN определяется экспериментально методом независимой поверки. В результате проведенных исследований установлено, что погрешность компаратора тока составляет
С учетом коэффициента влияния указанная погрешность возрастает в 6 раз:Погрешность, обусловленная порогом чувствительности нулевого индикатора, определяется экспериментально и составляет
С учетом коэффициента влияния указанная погрешность составляеткоторой составляют плечи компаратора тока, третье плечо - выходной конденсатор СЗ емкостного делителя напряжения, подключенный к первому плечу компаратора тока, а четвертое плечо - индуктивный делитель напряжения TV1 и конденсатор С0 в составе компаратора тока (рис. 4.1). Погрешность индуктивного делителя напряжения составляет:
Оценим погрешность измерения коэффициента трансформации ТН,обусловленную изменением емкости конденсаторов емкостного делителянапряжения от приложенного напряжения при балансировке плечкомпаратора тока и определении р}, р2 и р3.
Указанная погрешность при определении р\ и р2 в диапазоне рабочих напряжений на каждом конденсаторе свыше 270 В определяется погрешностью дополнительного индуктивного делителя напряжения TV2, который подключается по входу индуктивного делителя напряжения TV1. Эта составляющая погрешности, определенная экспериментально, составляет:С учетом коэффициента влияния (выражение (4.32)) погрешность возрастает.При определении р3 указанная погрешность определяется погрешностью дополнительного индуктивного делителя напряжения TV2 и составляетВ соответствии с выражением (4.32), коэффициент влияния в данном случае равен (С2+С3)/Сз = 1,2. Тогда с учетом коэффициента влияния указанная погрешность составляет
Погрешность от влияния тока утечки вследствие неполного согласования измерительной и эквипотенциальных цепей ЕДН определяется расчетно-экспериментальным методом. Экспериментально мостовым методом определяется емкость между электродом конденсатора измерительной цепи и экраном первой эквипотенциальной цепи, которая
