автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ условий работы измерительных трансформаторов и исследование влияний воздействующих факторов на точностные характеристики трансформаторов в энергосистемах

На правах рукописи УДК 621.311:621.314.22.08

Раскулов Радик Фаридович

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЙ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

Специальности 05.14.02 - «Электростанции и электроэнергетические системы»

05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока», (ОАО «СЗТТ»), г. Екатеринбург.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Загорский Яков Теодорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Железко Юрий Станиславович

кандидат технических наук Киселев Виктор Вячеславович

Ведущая организация -

Открытое акционерное общество «Фирма по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС», г. Москва

Защита состоится 22 февраля 2005 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «Научно-исследовательский институт электроэнергетики» (ОАО «ВНИИЭ») по адресу: 115201, Москва, Каширское шоссе, д. 22, корп. 3.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря Диссертационного совета Д 512.002.01 по адресу: 115201, Москва, Каширское шоссе, д. 22, корп. 3, ОАО «ВНИИЭ».

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИЭ».

Автореферат разослан января 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 512.002.01, доктор технических наук, профессор

Воротницкий В.Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Существующие системы учета электроэнергии в энергосистемах не обеспечивают требуемой в условиях рыночных отношений точности учета, так как они создавались в основном десятки лет назад, когда электроэнергия не являлась товаром и на точность ее учета не обращалось должного внимания.

Большие погрешности измерений электроэнергии и мощности приводят к нерациональному использованию пропускной способности линий электропередач, резервов мощности на электростанциях, затрудняют контроль режимов работы сетей и приводят к финансовым потерям производителей и поставщиков электроэнергии. Недостаточная точность измерений обусловлена рядом недостатков существующих систем учета электроэнергии, поскольку измерительные комплексы (ИК) на энергообъектах создавались ранее, а также создаются и в настоящее время по типовым проектам, разработанным еще в 70-80-х годах XX века, в которых не предусматривались решения для обеспечения высокой точности измерений.

В ИК входят трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), в основном электромагнитные, счетчики электрической энергии и цепи связи между ними.

Погрешности существующих ИК нередко превышают 5 - 10 %, что недопустимо в современных условиях. Погрешности измерительных трансформаторов (ИТ) вносят значительный вклад в общую погрешность ИК, причем при малой загрузке по току погрешности ТТ могут в несколько раз превышать погрешности всех остальных элементов ИК.

Для обеспечения требуемой точности ИК необходимо знание погрешностей ИТ в реальных условиях их эксплуатации, выявление причин нарушений правил применения ИТ при их эксплуатации.

В настоящее время при измерениях электроэнергии на большинстве энергообъектов не учитывают реальные погрепшоста ИТ, поскольку они, как правило, неизвестны и при расчете погрешностей ИК погрепшоста ИТ учитываются только как случайные, хотя ряд из них являются систематическими. Это приводит к недостоверной оценке погрепшоста ИК.

В условиях эксплуатации в энергосистемах на характеристики погрепшо-ста ИТ влияют параметры первичной сета: ток, напряжение, частота, мопщость вторичной нагрузки, коэффициент мощности вторичной нагрузки, а также внешние факторы: температура окружающего воздуха, вибрация и другие, которые могут приводить к увеличению погрешности ИК.

Из-за снижения энергопотребления в последние годы в энергосистемах ТТ во многих ИК работают при токах, существенно меньших номинального. Нередко ТТ классов точности 0,5 и 1 работают при первичном токе менее 5 % номинального, что может приводить к отрицательной токовой погрепшоста ТТ, превышающей 10 %.

Из-за конструктивных особенностей ТТ зависимости погрешностей от первичного тока и мощности вторичной нагрузки носят нелинейный характер и

имеют разброс даже для ТТ одного типа.

юс.---------------

I

ТН нередко работают при мощности нагрузки вторичной цепи, превышающей допускаемую в несколько раз, что приводит к отрицательной погрешности измерения напряжения. Если для повышения напряжения на вторичной стороне ТН применяют емкостную компенсацию, то это приводит к увеличению угловой погрешности ТН.

В настоящее время, практически отсутствует информация о погрешностях ТТ в следующих случаях:

- при мощности вторичной нагрузки больше номинальной;

- при токах, менее 5 % номинального первичного тока для ТТ классов точности 0,5 и 1, а также при токах, больших 120 % номинального первичного тока для ТТ всех классов точности;

- при работе ТТ на вторичную нагрузку с коэффициентом мощности (coscp), не соответствующим требованиям нормативной документации.

Также практически отсутствует информация о погрешностях ТН в следующих случаях:

- при первичном напряжении, выходящем за диапазон, допускаемый ГОСТ 1983-2001 для измерительных ТН;

- при работе ТН на нагрузку с сожр, не соответствующим требованиям нормативной документации.

Практически не исследовано влияние на метрологические характеристики ИТ температуры окружающего воздуха, частоты сети переменного тока, вибрационных нагрузок и транспортной тряски.

В диссертации Комковой Е.В. «Повышение точности учета электроэнергии» (2002 г.) подробно рассматривалось влияние внешних факторов на погрешности счетчиков электрической энергии на энергообъектах.

В настоящей работе исследовано влияние внешних факторов на точностные характеристики ИТ, работающих на электростанциях и электроэнергетических системах.

Цель работы

Целью работы является анализ условий работы в энергосистемах электромагнитных ИТ и исследование их влияния на погрешности ИК для учета электроэнергии; разработка мероприятий по повышению точности учета.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

а) анализ и классификация факторов, влияющих на погрешности ИТ;

б) аналитические исследования влияния условий работы ИТ на их погрешности;

в) разработка методов и проведение экспериментальных исследований зависимостей погрешностей ИТ от условий работы;

г) анализ влияния погрешностей ИТ на погрешность ИК;

д) разработка рекомендаций по повышению точности учета электроэнергии.

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы системный подход к проблеме, методы статистической обработки данных, аналитические и экспериментальные методы исследований ИТ.

Научная новизна работы

1 Классификация и статистический анализ влияющих факторов по степени их влияния на погрешности ТТ и ТН.

2 Результаты расчетов и аналитических исследований зависимости погрешностей ИТ от условий их работы.

3 Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа метрологических характеристик ТТ при влиянии первичного тока, мощности вторичной нагрузки, coscp вторичной нагрузки, остаточного намагничивания, температуры окружающего воздуха, вибрации и транспортирования.

4 Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа метрологических характеристик ТН при влиянии первичного напряжения, мощности нагрузки, coscp нагрузки, температуры окружающего воздуха, вибрации и транспортирования.

5 Формулы для расчета влияния систематических погрешностей ИТ на погрешность ИК.

Практическая значимость работы

Проведенные аналитические и экспериментальные исследования погрешностей ИТ позволяют оценивать их точностные характеристики в реальных условиях эксплуатации при различных влияющих факторах, что дает возможность более точного коммерческого и технического учета электроэнергии.

Полученная классификация внешних влияющих факторов по степени влияния на погрешности ИТ позволяет определить значащие и малозначащие влияющие факторы.

Полученные зависимости погрешностей ИТ от влияющих факторов позволяют путем учета систематических погрешностей ИТ повысить точность ИК для измерений электроэнергии в энергосистемах.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при разработке ИТ в ОАО «СЗТТ», г. Екатеринбург и при разработке нормативных документов по измерениям и учету электроэнергии в ОАО «ВНИИЭ», г. Москва.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Классификация действующих на энергообъектах влияющих факторов по степени влияния на метрологические характеристики ИТ позволяет при определении погрешности Ж для учета электроэнергии не принимать во внимание ряд определенных в настоящей работе малозначащих влияющих факторов (температура, частота сети, вибрация, воздействие транспортирования).

2 На основании полученных зависимостей погрешностей ИТ от влияющих факторов установлено, что погрешности ИТ имеют, как правило, систематический характер; систематические погрешности для каждого типа и исполнения ИТ носят индивидуальный характер.

3 Угловые погрешности ТТ при малых первичных токах могут вносить наибольший вклад в погрешность ИК.

4 Применение для магнитопровода ТТ аморфного или нанокристалличе-ского сплава позволяет уменьшить погрешности ТТ до 5-10 раз в области малого - вплоть до 0,5-1 % номинального первичного тока и получить класс точности 0^ и 0^ при номинальном коэффициенте безопасности приборов менее 10.

5 Рекомендации по повышению точности учета электроэнергии, в частности, применением ТТ классов точности 0^ и 0^ и ТН класса точности 0,1.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: первой, второй, третьей и четвертой научно-практических конференциях "Метрология электрических измерений в электроэнергетике", (г. Москва, 2001, 2002,

2003 и 2004 гг.); симпозиуме "Электротехника 2010" (г. Москва, 2001 г.); втором международном науч.-техн. семинаре "Современные методы и средства расчета, нормирования и снижения технических и коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях", (г. Москва, 2002 г.) и на третьей международной научно-технической конференции-выставке "Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях -2004" (г. Москва,

2004 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ (см. список в конце автореферата).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка опубликованных работ, содержит 30 рисунков, 60 таблиц, а также 5 приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 197 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы, отражены научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ условий работы ИТ на объектах энергосистем, рассмотрены действующие нормативные документы в части условий работы ИТ в энергосистемах.

Условия работы ИТ, устанавливаемых на электрических станциях и в электрических сетях, характеризуются многочисленными факторами, влияющими на их метрологические характеристики.

Основными факторами являются:

для ТТ - первичный ток, мощность вторичной нагрузки, а^ф вторичной нагрузки, токи короткого замыкания в первичных цепях.

для ТН - мощность нагрузки во вторичных цепях, coscp нагрузки во вторичных цепях, первичное напряжение.

Общими факторами для ТТ и ТН являются: частота сети, температура окружающего воздуха, коэффициент гармоник сети, вибрационные нагрузки при работе ИТ, транспортная тряска при транспортировании ИТ и срок эксплуатации.

При измерениях, требующих совместного использования ТТ и ТН факторами, влияющими на погрешность ИК, являются коэффициент мощности и характер нагрузки контролируемого присоединения.

Показано, что требования к ИТ, сформулированные в действующих нормативных документах, метрологических правилах и нормах учета электроэнергии, в энергосистемах не во всем соответствуют современным условиям.

Так, в шестом издании «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) сформулировано требование к ТТ, предназначенным для учета электроэнергии: «Допускается применение ТТ с завышенным коэффициентом трансформации (по условиям электродинамической стойкости и термической стойкости или защиты шин), если при максимальной нагрузке присоединения ток во вторичной обмотке ТТ будет составлять не менее 40 % номинального тока счетчика, а при минимальной рабочей нагрузке - не менее 5 %».

При существующем спаде нагрузки во многих узлах энергосистем данное требование невозможно реализовать. Так как ток нагрузки присоединения уменьшился, то требуется установить ТТ на меньший первичный ток, рассчитанный на прежние токи короткого замыкания, что, как правило, невозможно.

Данное требование по минимальному току во вторичной обмотке не менее 5 % устарело, так как не учитывает тот факт, что для ТТ классов точности 0,5 S и 0^ при 1 % номинального первичного тока ГОСТ 7746-2001 нормируются погрешности такие же, как при 5 % для ТТ классов точности 0,5 и 0,2 соответственно.

В типовой инструкции по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении указано, что нагрузка вторичных обмоток измерительных ТН и ее coscp не должны превышать номинальных значений. Это требование некорректно сформулировано, потому что coscp вторичной нагрузки в эксплуатации может быть как больше, так и меньше нормированного, а на погрешности ИТ наиболее сильно влияет понижение coscp вторичной нагрузки.

При анализе условий работы ИТ сделан вывод, что ИТ в энергосистемах нередко работают в условиях, для которых их точностные характеристики стандартами не нормируются.

Во второй главе на основе известных теоретических соотношений проведены аналитические исследования влияния на погрешности электромагнитных ИТ факторов, определяемых условиями их работы на энергообъектах и их конструктивных особенностей.

Погрешности ТТ определяют по следующим выражениям

« = -100-

Ьср-КР

12и ■2г

.1Г\иг -Пн1** 4,44-/я-5м

■У-Му + аУ, (1)

й=3440-

, ч -)г -совС^+а), (2)

К^-т^-Пн^ 4,44•/я

где 5/ - токовая погрешность ТТ, %; 01 - угловая погрешность ТТ, мин;

К/ - кратность первичного тока 1| по отношению к номинальному первичному

току 1Ш; Ьн - номинальный вторичный ток; /я - номинальная частота

переменного тока; W] - количество первичных витков; Ьср - средняя длина

магнитного пути в магнитопроводе; - полное сопротивление вторичной

цепи, определяют по известной формуле

г2 = ^(Л2 + гн -СОБР)2 *(Хг + 2н-ьтф)2 , (3)

где Я2 - активное сопротивление вторичной обмотки; Х2 - реактивное сопротивление вторичной обмотки; Л2„ - активное сопротивление вторичной нагрузки; Х2н - реактивное сопротивление вторичной нагрузки; ср - угол между вторичным током и вторичным напряжением, определяющий коэффициент мощности вторичной нагрузки ТТ (созф); а - угол между вторичной ЭДС Е2 и вторичным током 12 определяют по известной формуле

а = агс1%

Хг + 2н -ш.<р ^

VI/ - угол потерь, характеризующий соотношение активных и реактивных потерь в материале магнитопровода, определяют по формуле

(4)

К\-1гн -гг

(5)

где К\у, КР, у Д и \у0 - коэффициенты, зависящие от индукции в магнитопроводе ТТ и от используемой марки стали.

Из формул (1) и (2) видно, что на погрешности ТТ влияют как внешние параметры сети, так и электромагнитные параметры и конструктивные характеристики ТТ.

Факторы, определяемые собственно ТТ по степени их влияния на погрешности можно расположить в следующей последовательности:

а)произведение номинального первичного т о й^н а число первичных витков W| (первичная МДС Ищ)

Известно, что при увеличении первичного номинального тока 1щ и числа "первичных витков Wl погрешности ТТ уменьшаются. Эти два параметра оказывают наибольшее влияние на погрешности ТТ. Поэтому при проектировании ТТ стремятся увеличить число первичных витков. В шинных и встроенных ТТ число первичных витков равно 1 и поэтому в этих ТТ невозможно добиться высокого класса точности для малого номинального первичного тока;

б) материал магнитопровода.

При применении материалов с низкими потерями погрешности меньше, чем у электротехнической стали. Только благодаря применению материалов с

низкими потерями возможно получить ТТ классов точности 0,28 и 0,58 с первичной МДС менее 300 А;

в) средняя длина магнитного пути магнитопровода Ьср.

Известно, что при увеличении Ьср погрешности ТТ возрастают. При увеличении класса напряжения ТТ для обеспечения электрической прочности изоляции увеличивают внутренний диаметр магнитопровода и соответственно среднюю длину магнитного пути Ьср, что приводит к увеличению погрешностей ТТ. У встроенных ТТ средняя длина магнитного пути Ьср определяется диаметром ввода, на который монтируется трансформатор. Поэтому у встроенных ТТ с увеличением класса напряжения ввода внутренний диаметр магнитопровода ТТ возрастает, что приводит к увеличению Ьср и к возрастанию погрешностей;

г) активное сечениемагнитопровода8М .

При увеличении 8М погрешности ТТ уменьшаются. Но увеличение сечения магнитопровода 8М приводит к увеличению габаритных размеров ТТ, что обычно неприемлемо;

д) активное И, и индуктивное Х2 сопротивления вторичной обмотки.

При увеличении активного и индуктивного сопротивления Х2 погрешности ТТ увеличиваются;

е) номинальный вторичный ток 1гн-

При уменьшении номинального вторичного тока погрешности ТТ уменьшаются. Однако уменьшение номинального вторичного тока 1гн влечет за собой увеличение числа вторичных витков W2 и вызывает увеличение сопротивления и соответственно увеличение погрешностей. Поэтому влияние на погрешности ТТ незначительно.

Параметры сети по степени их влияния на погрешности ТТ можно расположить в следующей последовательности:

а) кратность первичного тока

При уменьшении токовая и угловая погрешности возрастают. Возрастание погрешностей нелинейное вследствие нелинейной зависимости коэффициентов от индукции в магнитопроводе;

б) мощность (сопротивление) вторичной нагрузки

При увеличении Хщ более номинального погрешности ТТ возрастают. При дальнейшем увеличении вторичной нагрузки угловая погрешность начинает уменьшаться и при значительном превышении (в несколько раз) может приобретать отрицательное значение;

в) вторичной нагрузки.

При уменьшении токовая погрешность будет увеличиваться, а угловая - уменьшаться. При большом угле (нагрузка практически индуктивная) выражение сов(\|/ + а) примет отрицательное значение и угловая погрешность станет отрицательной;

г) частота переменного тока сети.

Влияние частоты сети носит неоднозначный характер. С одной стороны, при увеличении частоты уменьшается индукция в магнитопроводе, а с другой

стороны, при увеличении частоты возрастают потери в магнитопроводе, которые зависят от индукции. Известно, что при увеличении частоты до 400 Гц возрастание потерь в магнитопроводе несущественно и погрешности уменьшаются за счет уменьшения индукции. При уменьшении частоты увеличивается индукция в магнитопроводе и погрешности ТТ увеличиваются.

Погрешности ТН определяют по следующим формулам: 1 ,И1-ЪР + Х]-Ъ0т

&/ = •

®и =

и1Н2<~ Ки 34,4 В\-10т-Х\'ЪР

+ 5'я (Л-со5^ + Аг-8шр)); (6)

+ 5я.(Л-8т^-А"-со8<г>)), (7)

ит1 ' Ки

где би -погрешность напряжения ТН; бц - угловая погрешность ТН; иш - номинальное первичное напряжение; и Х| - активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки; Я и X - суммарные активные и индуктивные сопротивления первичной и вторичной обмоток; БР - активные потери в стали маг-нитопровода; ЕС>т - суммарная намагничивающая мощность; Ки - кратность первичного напряжения; Эн - номинальная мощность нагрузки в заданном классе точности; <р - угол между вторичным током и вторичным напряжением, определяющий коэффициент мощности нагрузки ТН (совср).

Из формул (6) и (7) видно, что на погрешности ТН влияют как внешние параметры сети, так и электромагнитные параметры и конструктивные характеристики ТН. В формулах (6) и (7) первое слагаемое зависит от кратности первичного напряжения, а второе - от мощности нагрузки.

В отличие от ТТ, индукция в магнито проводе ТН изменяется только при изменении первичного напряжения и поэтому зависимости погрешностей ТН от мощности нагрузки S носят линейный характер.

Факторы, определяемые собственно ТН по степени их влияния на погрешности можно расположить в следующей последовательности:

а) номинальное первичное напряжение Иш-

При увеличении погрешности уменьшаются, несмотря на некоторое возрастание сопротивления первичной обмотки. Поэтому для большего первичного номинального напряжения легче получить более высокий класс точности. Например, для ТН ЗНОЛ.06 класса напряжения 3 кВ, класс точности 0,5 обеспечивается при мощности 30 В-А, для класса напряжения 6 кВ при мощности 50 В-А, а для класса напряжения 10 кВ при мощности 75 В-А;

б) активное R и индуктивное X сопротивления обмоток.

При увеличении активного сопротивления обмоток R (например, при применении более тонкого провода) погрешности ТН увеличиваются. При увеличении класса напряжения ТН, расстояние между первичной и вторичной обмотками и их габаритные размеры увеличиваются и соответственно увеличивается индуктивное сопротивление X. Возрастание X приводит к тому, что с ростом класса напряжения ТН угловая погрешность ТН становится более отрицательной;

в) материал и масса магнитопровода.

При применении более совершенных материалов с меньшими потерями погрешности уменьшаются. Однако влияние материала магнитопровода на погрешности ТН классов точности 0,5 и 1 сказывается незначительно.

Внешние факторы по степени их влияния на погрешности ТН можно расположить в следующей последовательности:

а) мощность нагрузки S.

Известно, что при увеличении S погрешность напряжения 5ц увеличивается линейно, а угловая погрешность будет изменяться в зависимости от соотношения активного R и индуктивного X сопротивлений обмоток ТО. При преобладании активного сопротивления R и увеличении Sh угловая погрешность будет более положительной. При преобладании реактивного сопротивления X и увеличении S угловая погрешность 0ц будет более отрицательной;

б) нагрузки.

При уменьшении COS(p активно-индуктивной нагрузки, начиная с 1, сумма произведений R- COS ф И Х- sin <р до какого-то угла ф (зависящего от соотношения активного R и индуктивного X сопротивления) вначале будет увеличиваться, затем при дальнейшем уменьшении СОБф сумма начнет уменьшаться. Соответственно погрешность напряжения вначале будет увеличиваться, а затем -уменьшаться.

Угловая погрешность вц при уменьшении сояф активно-индуктивной нагрузки становится более положительной.

Для активно-емкостной нагрузки при уменьшении cos® погрешность напряжения становится более положительной, а угловая погрешность - более отрицательной.

Случай активно-емкостной нагрузки возможен при подключении к нагрузке конденсаторов для увеличения вторичного напряжения. При значительной емкости конденсаторов угловая погрешность ТН может выйти за предел допускаемой ГОСТ 1983-2001 отрицательной угловой погрешности;

в) кратность первичного напряжения

При увеличении увеличивается индукция в магнитопроводе, что приводит к возрастанию потерь в магнитопроводе. Это приводит к тому, что при увеличении Ки:, погрешность напряжения 8ц становится более отрицательной, а угловая погрешность более положительной;

г) частота переменного тока.

Частота переменного тока влияет на индукцию в магнитопроводе ТН. При уменьшении частоты увеличивается индукция, что вызывает увеличение потерь в магнитопроводе, приводящее к увеличению погрешностей ТН. При увеличении частоты индукция уменьшается, но увеличивается падение напряжения на индуктивности X и погрешности будут уменьшаться до тех пор, пока уменьшение потерь в магнитопроводе преобладает над падением напряжения на индуктивности X.

В третьей главе охарактеризованы известные и разработанные автором методики экспериментальных исследований влияния на погрешности электромагнитных ИТ факторов, определяемых особенностями условий их работы на энергообъектах. Приведены методики исследований влияния первичного тока, мощности вторичной нагрузки, coscp вторичной нагрузки и остаточного намагничивания на точностные характеристики ТТ, первичного напряжения, мощности и сожр нагрузки на точностные характеристики ТН, температуры, вибрации и транспортной тряски на точностные характеристики ИТ.

Погрешности ТТ при исследованиях определялись дифференциально-нулевым методом с использованием образцового ТТ согласно ГОСТ8.217-2003.

При проведении исследований влияния первичного тока погрешности ТТ определялись не только при 5, 20, 100 и 120 % номинального первичного тока согласно диапазона ГОСТ 7746-2001 для ТТ класса точности 0,5; но и при первичном токе 0,5; 1,150 и 200 % номинального.

При проведении исследований влияния мощности вторичной нагрузки, включая превышающие номинальные, для получения больших значений нагрузок (до пятикратных номинальных) использовалось несколько стандартных магазинов нагрузки, соединенных последовательно

Исследования влияния ссжр вторичной нагрузки на погрешности ТТ проводились при ссср равном 1; 0,8 и 0,4 в диапазоне первичного тока от 0,5 до 120 % номинального первичного тока при номинальной и двойной мощности вторичной нагрузки. Для получения вторичной нагрузки с совф менее 0,8 использовался специально спроектированный дроссель.

Определение погрешностей ТН проводилось дифференциально-нулевым методом с использованием образцового ТН согласно ГОСТ 8.216-88.

При исследовании влияния первичного напряжения погрешности ТН определялись не только при 80, 100 и 120 % номинального первичного напряжения, согласно диапазона ГОСТ 1983-2001, но и при первичном напряжении 5, 20, 50, 150 и 190 % номинального при минимальной и номинальной мощности нагрузки с ссср = 0,8.

При исследовании влияния мощности вторичной нагрузки, превышающей номинальную, подключалось несколько магазинов проводимости. Определение погрешностей проводилось при первичном напряжении 80 и 120 % номинального при минимальной, номинальной, двойной и четырехкратной номинальной мощности нагрузки с совф =0,8.

Исследования влияния нагрузки проводились при первичном на-

пряжении 80 и 120 % номинального при минимальной, номинальной и двойной номинальной мощности нагрузки с СОБф = 1, 0,8; 0,5 и 0,15 при активно-индуктивной нагрузке и с = 0,8 и 0,5 при активно-емкостной нагрузке.

Для получения активно-индуктивной нагрузки с coscp менее 0,8 использовался специально спроектированный дроссель.

Для получения активно-емкостной нагрузки параллельно магазину проводимости подключались конденсаторы.

При определении погрешностей ТТ использовался эталонный ТТ типа И-512 класса точности 0,05. При определении погрешностей ТН использовались лабораторные ТН НЛЛ-15 и НЛЛ-35 класса точности 0,05. В качестве прибора сравнения использовался аппарат К-507.

Перед исследованиями влияния температуры окружающего воздуха ИТ выдерживались при нормальной температуре, равной 25 ± 10 °С в течение времени, установленного в технических условиях (ТУ) на испытуемые ИТ, и определялись погрешности ИТ.

Испытания на воздействие нижнего значения температуры при эксплуатации проводились в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 в следующей последовательности:

а) ИТ помещались в климатическую камеру холода и температуру в камере понижали до минус 45 °С (минус 50 °С) со средней скоростью не более 10 - 15 °С в 0,5 ч;

б) ИТ выдерживались при этой температуре в течение времени, не менее указанного в ТУ, и температуру понижали до нижнего значения температуры при эксплуатации;

в) после выдержки в камере до установившегося значения температуры определялись погрешности в камере или вне ее, но не позднее, чем через 3 мин после извлечения ИТ из камеры;

г) температуру в камере повышали до нормальной с вышеуказанной скоростью, ИТ извлекались из камеры и выдерживались в нормальных условиях не менее 12 ч. Затем производился внешний осмотр и проверка изоляции испытательным напряжением.

Испытания ИТ при воздействии верхнего значения температуры при эксплуатации проводились в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 в следующей последовательности:

а) ИТ помещались в климатическую камеру тепла и температуру в камере повышали до температуры, равной сумме верхнего рабочего значения температуры при эксплуатации и превышения температуры наиболее нагретой обмотки, с вышеуказанной скоростью;

б) после выдержки ИТ при этой температуре в течение времени, не менее указанного в ТУ на ИТ, определялись погрешности в камере или вне ее, но не позднее, чем через 3 мин после извлечения из нее ИТ;

в) температуру в камере понижали до нормальной с вышеуказанной скоростью, ИТ извлекались из камеры и выдерживают в нормальных условиях не менее 12 ч. Затем производился внешний осмотр и проверка изоляции испытательным напряжением.

При исследовании влияния остаточного намагничивания магнитопровода ТТ после протекания токов КЗ проводились следующие операции:

а) магнитопровод ТТ размагничивался согласно ГОСТ 8.217-2003 и определялись погрешности ТТ в диапазоне первичного тока от 0,5 до 120 % номинального первичного тока при номинальной мощности вторичной нагрузки с СОЯф = 0,8;

б) магнитопровод ТТ намагничивался постоянным током;

в) определялись погрешности ТТ с намагниченным магнитопроводом в диапазоне первичного тока от 0,5 до 120 % номинального;

г) при первичном токе 120 % номинального первичного тока ТТ определялось время, при котором погрешности намагниченного ТТ восстановятся до погрешностей размагниченного ТТ;

д) магнитопровод ТТ повторно намагничивался и определялось время восстановления погрешностей при первичном токе 100, 20, 5, 1 и 0,5 % номинального первичного тока.

При исследовании влияния вибрации, точностные характеристики ИТ определялись непосредственно при воздействии вибрации на исследуемый ИТ в диапазоне частот 10 - 100 Гц и амплитуде перемещения 0,5 мм.

При исследовании влияния воздействия транспортирования точностные характеристики ИТ определялись до и после воздействия транспортной тряски.

Испытания проводились методом непосредственного транспортирования для группы условий транспортирования Ж по ГОСТ 23216-78.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния внешних факторов на точностные характеристики ИТ.

Исследовались ТТ следующих типов: Т0П-0,66; ТП0Л-10, Т0Л10-1, ТЛШ-10, ТОЛ-35 и ТН ЗН0Л.06 классов напряжения от 0,66 до 35 кВ.

На рис. 1-8 приведены экспериментальные зависимости токовой и угловой погрешностей ТТ типа ТП0Л-10 от первичного тока при различной мощности вторичной нагрузки, различных cos<p вторичной нагрузки, различной температуре окружающего воздуха и намагничивании магнитопровода.

При исследовании влияния намагничивания ТТ показано, что при первичном токе менее 100 % номинального происходит лишь частичное размагничивание магнитопровода и погрешности ТТ с магнитопроводом из электротехнической стали не восстанавливаются до исходных за время более 8ч.

По результатам экспериментальных исследований показано, что на погрешности ТТ классов точности 0,2S и 0,5S остаточное намагничивание практически не влияет.

На рис.9-16 приведены экспериментальные зависимости погрешностей ТН ЗН0Л.06-10 от первичного напряжения, мощности нагрузки, cos ф нагрузки и различной температуре окружающего воздуха.

Экспериментальные исследования показали, что вибрации и транспортирование практически не оказывают влияния на точностные характеристики ИТ.

По результатам аналитических исследований и экспериментов внешние факторы по степени влияния на погрешности ИТ предлагается разделить на три группы (таблица 1).

Первая группа охватывает факторы, оказывающие значительное влияние на точностные характеристики ТТ и ТН, то есть погрешности ИТ при воздействии этих влияющих факторов изменяются более чем на 80 % от допускаемой погрешности.

Рис. 2 Угловьм погрешности ТТ ТТТОЛ 10 500/6 при различно* мощности вторичной нагрузки

Рис. 3 Токовые погрешности ТПОЛ10 Э00/5 при различных «оаффмцнцню мощности вторичной нагрузки

\

\

\ Ч —о ■

\ \ ---ГОСТ 774в

ч \ \

\ ч X

\

—____ -

^--.-----

Рис. 4 Угловые погрешности ТПОЛ ю ЗОДОпри различных «оаффиЦИе11Г«х мощности вторичной нагрузки

при различных температурах

\ \

\ —.50 С -+20 С ----*®0С

-ГОСТ 774«

1 10 100 1000 Рис. в. Углом* погрешности TT ТПОЛ 10 300/5

Рис. 7 Зависимость токовой погрешности ТТ ТПОЛ 10 300/6 от первичного тока при намагничивании

е(,мии

Рис. в Зависимость угловой погрешности ТТ ТПОЛ 10 300/5 от первичного тока при намагничивании

\ N

) О 1 0 2 0 2 О э 0 э а 4

\ \

\

Рис. 9 Зависимость погрешности напряжения ТН ЭНОЛ 06 от мощности вторичной нагрузки при номинальном напряжении

Рис 10 Зависимость угловой погрешности ТН ЗНОЯ 06 от мощности вторичной нагрузки при номинальном напряжении

мощности нагрузим (соаф)

I у

/ У

/

С 0 с V • «. 0 а. о

У /

Рис 12 Зависимость угловой погрешности ТН ЗНОЛ ов от коэффициента мощности вторичной нагрузки (соа*)

Рис. 13 Зависимость погрешности напряжения ТН ЗНОЛ 06 от первичного напряжения

О 20 40 00 80 100 120 140 160 180 200

Рис. 14 Зависимость угловой по грей и ости ТН ЗНОЛ 06 от первичного напряжения

Рис 16 Зависимость погрешности напряжения ТН ЗНОЛ 06 от температуры при различной мощности вторичной нагрузки вц^ммн

Рис. 1« Зависимость угловой погрешности ТН ЗНОЛ Об от температуры при различной мощности вторичной нагрузки

Таблица 1 - Классификация факторов, влияющих на метрологические

Номер группы ТТ ТН

Первая Первичный ток, мощность вторичной нагрузки, Мощность нагрузки, coscp

Вторая Температура окружающего воздуха, токи КЗ Первичное напряжение, температура окружающего воздуха

Третья Частота сети, воздействие вибрации и транспортирования, срок эксплуатации

Ко второй группе относятся факторы, не оказывающие существенного влияния на точностные характеристики ТТ и ТН, то есть погрешности ИТ при воздействии этих факторов изменяются на 10-80 % от допускаемой погрешности.

К третьей группе относятся факторы, практически не оказывающие влияния на точностные характеристики ИТ. К ним относятся факторы, погрешности при воздействии которых изменяются менее, чем на 10 % от допускаемой погрешности.

По результатам аналитических и экспериментальных исследований показано, что погрешности ИТ индивидуальны и степень влияния внешних факторов на погрешности ИТ зависит от конструктивных параметров данного ИТ.

Для примера, в таблицах 2 и 3 приведены погрешности ТТ ТОЛ 10-1300/5 и ТН ЗНОЛ.06-10 класса точности 0,5.

Таблица 2 - погрешности ТТ ТОЛ 10-1-300/5

11, %1ш №508 №507

8,, % 01, мин б!,% 0ь мин

5,0 -0,86 43 -0,55 29

20,0 -0,51 26 -0,07 10

100,0 0,061 5,2 0,12 3,4

120,0 0,043 5,9 0,12 3,6

Таблица 3 - погрешности ТН ЗНОЛ06-10

№ ТН Б 5и,% 0и, мин

6513 впил 0,214 3,0

8н -0,260 7,7

6390 Этт 0,422 2,3

Бн -0,058 6,8

Из таблиц 2 и 3 видно, что токовые погрешности ТТ одного типа могут отличаться до 0,5 %, а погрешности напряжения ТН до 0,2 %.

В пятой главе произведен анализ влияния погрешностей ИТ на погрешности измерений при учете электрической энергии и приведены рекомендации по минимизации влияния погрешностей ИТ на погрешности измерений.

Активная мощность одной фазы Р, потребляемая нагрузкой в первичной цепи, определяется по известной формуле

Р = и,-1|С08фь (8)

где 11ь II - первичные напряжение и ток;

ср[ - угол между первичным током I] и первичным напряжением 1/1, характеризующий коэффициент мощности контролируемого присоединения.

Активная мощность Рх, вычисляемая по результатам измерений на вторичной стороне ИТ, определяется по известной формуле

Рх = и2. пта • 12 • птт • соБфг (9)

где фг - угол между вторичным током Ц и вторичным напряжением и2; п-щ и птт - коэффициенты трансформации ТН и ТТ.

Так как угол ф2 не равен углу ф] из-за угловых погрешностей ИТ, то появляется составляющая погрешности измерений электроэнергии и мощности 80 в трансформаторной схеме подключения счетчика.

На рис.17 изображены векторные диаграммы токов и напряжений на первичной и вторичной стороне ИТ для случая активно-индуктивной первичной нагрузки контролируемого присоединения.

Рис.17 Векторная диаграмма токов и напряжений при активно-индуктивной нагрузке:

а - угловые погрешности ТТ и ТН положительные;

б - угловая погрешность ТТ положительная, угловая погрешность ТН отрицательная.

Составляющая погрешности измерений активной мощности, вызванная угловыми погрешностями ТТ и ТН, 8е, %, определяется по формуле

А/1 — сое ф}

ёв = 100 • (соэ^ — 1) + 0,0291 ■ —-—•в, (10)

сое

где 0 = 01 - 0ц; 0,0291- коэффициент перевода мин в рад.

Таким образом, 5е зависит не только от угловых погрешностей ИТ, но и от коэффициента мощности совф] контролируемого присоединения.

В случае, когда угловые погрешности ТТ и ТН равны между собой и имеют одинаковый знак, составляющая погрешности измерений 69 будет равна нулю.

Систематическая погрешность, вызванная погрешностями ИТ 0ит, определяется как сумма токовой погрешности ТТ 6:, погрешности напряжения ТН 5ц и погрешности трансформаторной схемы подключения счетчика бе, вызванной угловыми погрешностями ИТ

9ит = 5, + 5и+бв. (11)

Погрешности ИТ меньше допускаемых стандартами пределов погрешностей, причем при минимальной мощности нагрузки ТН 8тю погрешность напряжения ТН 5ц, как правило, положительная (рис.9). Токовая погрешность ТТ 61 также может быть положительной при первичных токах, близких к номинальному току 1ш (рис.1). Угловая погрешность ТТ 9/ может принимать отрицательное значение при несоответствии вторичной нагрузки ТТ требованиям ГОСТ 7746-2001 (рис.4).

На рис. 18 и 19 приведены графики 9ит при использовании ИТ класса точности 0,5 для следующих вариантов применяемых ИТ (таблица 4).

Таблица 4 - Варианты применения ИТ

Вариант №ТТ во ТН Мощность вторичной нагрузки ТТ Мощность нагрузки ТН

1 508 6513 номинальная номинальная

2 507 6390

3 508 6513 минимальная

4 507 6390

Из грае )иков (рис. 18, 19) видно, что даже при использовании одинако-

вых типов ИТ с одинаковыми коэффициентами трансформации погрешность бит имеет значительный разброс, причем при уменьшении соэф! разброс погрешности бит между вариантами увеличивается.

Положительная угловая погрешность ТТ 0/ приводит к положительной погрешности трансформаторной схемы подключения счетчика бе для активной энергии, которая уменьшает влияние отрицательной токовой погрешности ТТ 6[ и отрицательной погрешности напряжения ТН 5и и в итоге погрешность Вщ может превышать плюс 11 %.

Для уменьшения погрешности ИК наиболее перспективным является применение ТТ классов точности 0,28 и 0,58, имеющих более узкий диапазон погрешностей в области малого первичного тока, чем ТТ классов точности 0,2 и 0,5; вплоть до тока, равного 1 % номинального первичного тока

На рис. 20 и 21 приведены графики бит при использовании ТТ класса точноста 0,5 и 0,28 из которых видно, что при применении ТТ классов точности 0,28 и 0,58 погрешность ИТ бит в несколько раз меньше, чем при применении ТТ класса точности 0,5.

При работе ТН на нагрузку мощностью до 10 В-А (электронный счетчик) возможно получить класс точности 0,1 на серийных ТН с минимальными доработками конструкции.

Pim.1I Зависимость иогрчииооги ИТ er мрмчмого ток* для ИТ вмем ios ниц m ОД. Коэффициент моциеоти himiiiii »iiiuhimiiiiiiI иагруми О^в

Рмо^О Эмамиовл» »огромности ИТ от мреичного тока для ТТ различных классов точности. Коэффициент мощности ■ ктиано индуктивной нагрузки 0,8.

вит, Ч

Риал ЗМИеММООТЪ Погрешности ИТ ОТ (МрвИЧНОгО ТОМ АПК ТТ различны« классов точности. Коэффициент моадновт актчв1но-ннду*ГивиоЛ нагрузки 0,25.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного анализа условий работы ИТ и исследования влияний воздействующих факторов сформулированы основные выводы по работе:

1 Существующие нормативные документы по учету электроэнергии нуждаются в переработке с учетом систематических погрешностей PIT, угловых погрешностей ИТ и применения ТТ классов точности 0,5S и 0,2S.

2 Погрешность РЖ должна определяться с учетом реальных погрешностей используемых ИТ, так как погрешности каждого ИТ индивидуальны и имеют разброс даже для ИТ одного типа и одного исполнения

3 Степень влияния внешних факторов на погрешности ИТ зависит от конструктивных параметров ИТ.

4 Разработанная классификация внешних воздействующих факторов на погрешность ИТ позволяет установить ряд малозначащих факторов (частота сети, температура, вибрации и др.), которые при расчете погрешности ИК можно не учитывать.

5 При первичных токах менее 20 % 1щ положительная угловая погрешность ТТ может приводить к положительной погрешности 5е, которая может превышать токовую погрешность ТТ §i и погрешность напряжения ТН 5(j в несколько раз и может приводить к положительной погрешности ИК.

6 При определении коэффициента мощности контролируемого присоединения необходимо учитывать влияние угловых погрешностей ИТ.

7 В настоящее время, как показали результаты исследований в диссертации, для уменьшения погрешности ИК наиболее эффективен технологический путь повышения точности применением ТТ классов точности 0,5S и 0,2S с магнито-проводами из аморфных или нанокристаллических сплавов и ТН класса точности 0,1, что можно обеспечить на серийных ТН с минимальными доработками конструкции.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1 Раскулов Р.Ф., Эткинд Л.Л. Влияние воздействующих факторов на метрологические характеристики ТТ и ТН с литой эпоксидной изоляцией/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады науч.-техн. семинаров и конф. 1998-2001 гг. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС- 2001- С. 317-327.

2 Раскулов Р.Ф., Эткинд Л.Л, О метрологической стабильности и межповерочном интервале трансформаторов тока и напряжения с литой изоляцией/ VI симпозиум «Электротехника 2010 ».: Сборник докладов.- Московская область.- 2001- Том I.- С.254-256.

3 Раскулов Р.Ф. Влияние параметров вторичной нагрузки на метрологические характеристики измерительных трансформаторов/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады второй науч.-практ. конференции. -М.: Изд-во НЦ ЭНАС-2002.-Доклад 4.-С. 1-8.

4 Раскулов Р.Ф., Смирнов А.С. Недоучет электроэнергии, вызванный погрешностями трансформаторов тока классов напряжения 0,66 - 10 кВ/ Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях -

2002.: Информационные материалы международного науч.-техн. семинара. -М: Изд-во НЦ ЭНАС- 2002.- Доклад 14.- С. 1-5.

5 Раскулов Р.Ф., Смирнов А.С. Влияние температуры окружающего воздуха на погрешности измерительных трансформаторов/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады третьей науч.-практ. конференции. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС- 2003.- Доклад 22.-С.1-23.

6 Раскулов Р.Ф., Смирнов А.С. Влияние коэффициента мощности вторичной нагрузки на погрешности измерительных трансформаторов/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады третьей науч.-практ. конференции. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС- 2003,- Доклад 23 - С.1-21.

7 Раскулов Р.Ф. Влияние вторичной нагрузки на погрешности трансформаторов тока// Электрические станции.- 2003.-№7. - С. 43-45.

8 Раскулов Р.Ф. О превышении мощности вторичной нагрузки для трансформаторов тока классов точности 0,28 и 0,58 // Электрические станции. -

2003.-№8.-С. 59-62.

9 Раскулов Р.Ф., Смирнов А.С. Применение трансформаторов тока 0,28 и 0,58 для устранения недоучета электроэнергии// Энергоанализ и энергоэффективность.- Екатеринбург.-2003- № 1. - С.71.

10 Раскулов Р.Ф., Влияние угловых погрешностей измерительных трансформаторов на точность определения коэффициента мощности нагрузки/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады четвертой на-уч.-практ. конференции.- М.: Изд-во НЦ ЭНАС.-2004.-Доклад 25.-С. 1-11.

11 Раскулов Р.Ф. Влияние метрологических характеристик измерительных трансформаторов на погрешность измерений электрической энергии/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады четвертой науч.-практ. конференции,- М.: Изд-во НЦ ЭНАС-2004.-Доклад 26.-С.1-16.

12 Загорский Я.Т., Раскулов Р.Ф. Влияние угловых погрешностей измерительных трансформаторов тока и напряжения на погрешность измерений электроэнергии // Метрология.-2004.-№10.-С.9-19.

13 Раскулов Р.Ф. Влияние коэффициента мощности присоединения и угловых погрешностей измерительных трансформаторов на учет электроэнергии/ Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях -2004.: Информационные материалы третьей международной науч.-техн. конференции-выставки. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС - 2004.- С.1- 9.

14 Раскулов Р.Ф., Собова И.В., Ушаков А.Г., Эткинд Л.Л. О требованиях к электромагнитным измерительным трансформаторам, используемых для АСКУЭ при автоматизированном учете потерь электроэнергии / Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях -2004.: Информационные материалы третьей международной науч.-техн. конференции-выставки. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 2004.-С.1-6.

Подписано к печати 14.01.2005. Тираж 100 экз.; Формат 1/16.

ОАО «СЗТТ», 620043, Екатеринбург, ул. Черкасская, 25

Введение.

Глава 1 Анализ условий работы измерительных трансформаторов тока и напряжения в энергосистемах.

1.1 Требования нормативных документов по условиям работы измерительных трансформаторов.

1.1.1 Требования к трансформаторам тока.

1.1.2 Требования к трансформаторам напряжения.

1.1.3 Требования по качеству электрической энергии.

1.1.4 Требования по воздействиям климатических факторов внешней среды.

1.1.5 Требования по стойкости к механическим внешним воздействующим факторам и к транспортированию.

1.1.6 Требования к измерительным трансформаторам для учета электроэнергии.

1.2 Анализ условий работы измерительных трансформаторов токаи напряжения в энергосистемах.

Глава 2 Аналитические исследования влияния на погрешности электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения условий их работы на энергообъектах.

2.1 Основы расчета точностных характеристик трансформаторов тока 30 V 2.2 Основы расчета точностных характеристик трансформаторов напряжения.

2.3 Влияние условий работы на погрешности трансформаторов тока.

2.3.1 Аналитические выражения влияния условий работы на погрешности трансформаторов тока.

2.3.2 Расчет влияния первичного тока.

2.3.3 Расчет влияния мощности вторичной нагрузки.

2.3.4 Расчет влияния coscp вторичной нагрузки.

2.3.5 Расчет влияния температуры окружающей среды.

2.3.6 Расчет влияния частоты переменного тока.

2.4 Влияние условий работы на погрешности трансформаторов напряжения.

2.4.1 Аналитические выражения влияния условий работы на погрешности трансформаторов напряжения.

2.4.2 Расчет влияния мощности нагрузки.

2.4.3 Расчет влияния coscp нагрузки.

2.4.4 Расчет влияния первичного напряжения. щ 2.4.5 Расчет влияния температуры.

2.4.6 Расчет влияния частоты переменного тока.

Глава 3 Разработка методик экспериментальных исследований влияния на погрешности электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения факторов, определяемых особенностями условий их работы на энергообъектах.

3.1 Методика исследования влияния первичного тока, мощности и coscp вторичной нагрузки на точностные характеристики измерительных трансформаторов тока.

3.2 Методика исследования влияния первичного напряжения, мощности и coscp нагрузки на точностные характеристики измерительных трансформаторов напряжения.

3.3 Методика исследования влияния температуры окружающей среды на точностные характеристики измерительных трансформаторов.

3.4 Методика исследования влияния механических внешних воздействующих факторов и транспортирования на точностные характеристики измерительных трансформаторов.

3.5 Методика исследования влияния остаточного намагничивания после протекания токов короткого замыкания.

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований влияния условий работы на точностные характеристики электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения.

4.1 Исследование влияния воздействующих факторов на трансформаторы тока.

4.1.1 Результаты исследования влияния первичного тока и мощности вторичной нагрузки.

4.1.2 Результаты исследования влияния coscp вторичной нагрузки.

4.1.3 Результаты исследования влияния температуры.

4.1.4 Результаты исследования влияния механических внешних воздействующих факторов и транспортирования.

4.1.5 Результаты исследования влияния остаточного намагничивания после протекания токов короткого замыкания.

4.2 Исследование влияния воздействующих факторов на точностные характеристики трансформаторов напряжения.

4.2.1 Результаты исследования влияния мощности нагрузки.

4.2.2 Результаты исследования влияния coscp нагрузки.

4.2.3 Результаты исследования влияния температуры.

4.2.4 Результаты исследования влияния первичного напряжения.

4.2.5 Результаты исследования влияния механических внешних воздействующих факторов и транспортирования.

4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований точностных характеристик измерительных трансформаторов.

Глава 5 Анализ влияния точностных характеристик измерительных трансформаторов тока и напряжения в условиях работы энергообъектов на погрешности измерений и учета электрической ф энергии.

5.1 Влияние погрешности напряжения и токовой погрешности на погрешности измерений электрической энергии.

5.2 Влияние угловых погрешностей на погрешности измерений электрической энергии.

5.3 Рекомендации по минимизации влияния погрешностей измерительных трансформаторов на погрешности измерений при учете электрической энергии.

5.3.1 Расчет погрешности измерения электроэнергии, вызванной систематическими погрешностями ИТ.

5.3.2 Рекомендации по уменьшению погрешности измерений и учета электроэнергии.

В настоящее время доля электроэнергии в себестоимости промышленной продукции неуклонно возрастает. Если в конце восьмидесятых годов доля электроэнергии в себестоимости промышленной продукции составляла несколько процентов, то в настоящее время доля электроэнергии в машиностроении превышает 20 %, а в энергоемких производствах достигает 60 % и выше.

Существующие системы учета электроэнергии не обеспечивают требуемой в условиях рыночных отношений точности учета, так как они создавались в основном десятки лет назад, когда электроэнергия не являлась товаром и на точность ее учета не обращалось должного внимания.

Большие погрешности измерений электроэнергии и мощности приводят к нерациональному использованию пропускной способности линий электропередач, резервов мощности на электростанциях, затрудняют контроль режимов работы сетей и приводят к финансовым потерям производителей и поставщиков электроэнергии. Недостаточная точность измерений обусловлена рядом недостатков существующих систем учета электроэнергии, поскольку измерительные комплексы (ИК) на энергообъектах создавались ранее, а также создаются и в настоящее время по типовым проектам, разработанным еще в 70-80-х годах XX века, в которых не предусматривались решения для обеспечения высокой точности ИК.

В ИК входят трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), в основном электромагнитные, счетчики электрической энергии и цепи связи между ними. Погрешности существующих ИК нередко превышают 5 - 10 %, что недопустимо в современных условиях. Погрешности измерительных трансформаторов (ИТ) вносят значительный вклад в общую погрешность РЖ, причем при малой загрузке по току погрешности ТТ могут в несколько раз превышать погрешности всех остальных элементов ИК.

Для обеспечения требуемой точности ИК необходимо знание погрешностей ИТ в реальных условиях их эксплуатации, выявление и устранение причин нарушений правил применения ИТ при их эксплуатации.

В настоящее время при измерениях электроэнергии на большинстве энергообъектов не учитывают реальные погрешности ИТ, поскольку они, как правило, неизвестны и при расчете погрешностей ИК погрешности ИТ учитываются только как случайные, хотя ряд из них являются систематическими. Это приводит к недостоверной оценке погрешности ИК.

В условиях эксплуатации в энергосистемах на характеристики погрешности ИТ в общем случае влияют параметры первичной сети: ток, напряжение, частота, мощность вторичной нагрузки, коэффициент мощности вторичной нагрузки, а также внешние факторы: температура окружающего воздуха, вибрация и другие, которые могут приводить к увеличению погрешности ИК.

Из-за конструктивных особенностей ТТ зависимости погрешностей от первичного тока и мощности вторичной нагрузки носят нелинейный характер и имеют разброс даже для ТТ одного типа.

При выпуске ИТ из производства во время приемо-сдаточных испытаний, погрешности определяются в нормированных диапазонах первичных токов, напряжений, мощности вторичной нагрузки и coscp вторичной нагрузки согласно стандартов на ТТ и ТН, однако в эксплуатации нередко ИТ работают в условиях, для которых погрешности не нормированы.

В настоящее время, практически отсутствует информация о погрешностях ТТ в следующих случаях:

- при мощности вторичной нагрузки больше номинальной;

- при токах, менее 5 % номинального первичного тока для ТТ классов точности 0,5 и 1, а также при токах, больших 120 % номинального первичного тока для ТТ всех классов точности;

- при работе ТТ на вторичную нагрузку с коэффициентом мощности (coscp), не соответствующим требованиям нормативной документации.

Также практически отсутствует информация о погрешностях ТН в следующих случаях:

- при первичном напряжении, выходящем за диапазон, допускаемый ГОСТ 1983-2001 для измерительных ТН;

- при работе ТН на нагрузку с coscp, не соответствующим требованиям нормативной документации.

Практически не исследовано влияние на метрологические характеристики ИТ температуры окружающего воздуха, частоты сети переменного тока, вибрационных нагрузок и транспортной тряски.

В диссертации Комковой Е.В. «Повышение точности учета электроэнергии» (2002 г.) подробно рассматривалось влияние внешних факторов на погрешности счетчиков электрической энергии на энергообъектах.

В настоящей работе исследовано влияние внешних факторов на точностные характеристики ИТ, работающих на электростанциях и электроэнергетических системах.

Метрологические характеристики ТТ и ТН могут быть повышены технологическим путем - изменением конструктивных параметров ИТ, применением новых марок электротехнической стали и других специальных сплавов, что приводит к удорожанию трансформаторов. Зарубежные производители идут по пути уменьшения мощности вторичной нагрузки трансформаторов, за счет чего уменьшаются погрешности ТТ и ТН. За счет уменьшения номинальной мощности вторичной нагрузки и уровня испытательных напряжений зарубежные ИТ имеют меньшие габариты и вес по сравнению с отечественными ИТ.

Цель работы

Целью работы является анализ условий работы в энергосистемах электромагнитных ИТ и исследование их влияния на погрешности ИК для учета электроэнергии; разработка *мероприятий по повышению точности учета.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: а) анализ и классификация факторов, влияющих на погрешности ИТ; б) аналитические исследования влияния условий работы ИТ на их погрешности; в) разработка методов и проведение экспериментальных исследований зависимостей погрешностей ИТ от условий работы; г) анализ влияния погрешностей ИТ на погрешность ИК; д) разработка рекомендаций по повышению точности учета электроэнергии.

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы системный подход к проблеме, методы статистической обработки данных, аналитические и экспериментальные методы исследований ИТ. Научная новизна работы

1 Классификация и статистический анализ влияющих факторов по степени их влияния на погрешности ТТ и ТН.

2 Результаты расчетов и аналитических исследований зависимости погрешностей ИТ от условий их работы.

3 Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа метрологических характеристик ТТ при влиянии первичного тока, мощности вторичной нагрузки, coscp вторичной нагрузки, остаточного намагничивания, температуры окружающего воздуха, вибрации и транспортирования.

4 Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа метрологических характеристик ТН при влиянии первичного напряжения, мощности нагрузки, costp нагрузки, температуры окружающего воздуха, вибрации и транспортирования.

5 Формулы для расчета влияния систематических погрешностей ИТ на погрешность ИК.

Практическая значимость работы

Проведенные аналитические и экспериментальные исследования погрешностей ИТ позволяют оценивать их точностные характеристики в реальных условиях эксплуатации при различных влияющих факторах, что дает возможность более точного коммерческого и технического учета электроэнергии.

Полученная классификация внешних влияющих факторов по степени влияния на погрешности ИТ позволяет определить значащие и малозначащие влияющие факторы.

Полученные зависимости погрешностей ИТ от влияющих факторов позволяют путем учета систематических погрешностей ИТ повысить точность ИК для измерений электроэнергии в энергосистемах.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при разработке ИТ в ОАО «СЗТТ», г. Екатеринбург и при разработке нормативных документов по измерениям и учету электроэнергии в ОАО «ВНИИЭ», г. Москва.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Классификация действующих на энергообъектах влияющих факторов по степени влияния на метрологические характеристики ИТ позволяет при определении погрешности ИК для учета электроэнергии не принимать во внимание ряд определенных в настоящей работе малозначащих влияющих факторов (температура, частота сети, вибрация, воздействие транспортирования).

2 На основании полученных зависимостей погрешностей ИТ от влияющих факторов установлено, что погрешности ИТ имеют, как правило, систематический характер; систематические погрешности для каждого типа и исполнения ИТ носят индивидуальный характер.

3 Угловые погрешности ТТ при малых первичных токах могут вносить наибольший вклад в погрешность ИК.

4 Применение для магнитопровода ТТ аморфного или нанокристалли-ческого сплава позволяет уменьшить погрешности ТТ до 5-10 раз в области малого - вплоть до 0,5 - 1 % номинального первичного тока и получить класс точности 0,2S и 0,5S при номинальном коэффициенте безопасности приборов менее 10.

5 Рекомендации по повышению точности учета электроэнергии, в частности путем применения ТТ классов точности 0,2S и 0,5S и ТН класса точности 0,1.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: первой, второй, третьей и четвертой научно-практических конференциях "Метрология электрических измерений в электроэнергетике", (г. Москва, 2001, 2002, 2003 и 2004 гг.); симпозиуме "Электротехника 2010" (г. Москва, 2001 г.); втором международном науч.-техн. семинаре "Современные методы и средства расчета, нормирования и снижения технических и коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях", (г. Москва, 2002 г.) и на третьей международной научно-технической конференции-выставке "Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях -2004" (г. Москва, 2004 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ (см. прилагаемый список).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 30 рисунков, 60 таблиц, а также 5 приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 197 страниц.

Выводы:

1. Недоучет активной электроэнергии у потребителя, вызванный систематическими погрешностями ИТ возможен при идеальном случае чисто активной нагрузки контролируемого присоединения, а при активно-индуктивной нагрузке возможен переучет активной электроэнергии;

2. При малых первичных токах положительная угловая погрешность ТТ может приводить к положительной погрешности трансформаторной схемы подключения счетчика 5е для активной энергии, превышающей в несколько раз токовую погрешность ТТ и погрешность напряжения ТН;

3. При расчете допустимой относительной погрешности измерительного комплекса, входящей в формулу допустимого небаланса необходимо учитывать реальные погрешности применяемых ИТ, коэффициент мощности и характер нагрузки контролируемого присоединения;

4. При замене ТТ с магнитопроводами из электротехнической стали на ТТ классов точности 0,5S и 0,2S с магнитопроводами из нанокристалличе-ских или аморфных сплавов погрешность ИК уменьшается в несколько раз и практически не зависит от влияния первичного тока и токов КЗ в первичной цепи;

5. Для активно-индуктивной нагрузки контролируемого присоединения положительная угловая погрешность ТТ при малых первичных токах приводит к завышенному значению коэффициента мощности контролируемого присоединения.

154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного анализа условий работы ИТ и исследования влияний воздействующих факторов сформулированы основные выводы по работе:

1 Существующие нормативные документы по учету электроэнергии нуждаются в переработке с учетом систематических погрешностей ИТ, угловых погрешностей ИТ и применения ТТ классов точности 0,5S и 0,2S.

2 Разработанная классификация внешних воздействующих факторов на погрешность ИТ позволяет установить ряд малозначащих факторов (частота сети, температура, вибрации и др.), которые при расчете погрешности ИК можно не учитывать.

3 Погрешность ИК должна определяться с учетом реальных погрешностей используемых ИТ, так как погрешности каждого ИТ индивидуальны и имеют разброс даже для ИТ одного типа и одного исполнения.

4 Степень воздействия внешних факторов на погрешности ИТ зависит от электромагнитных и конструктивных параметров ИТ.

5 При первичных токах менее 20 % 1ш положительная угловая погрешность ТТ может приводить к положительной погрешности 5о, которая может превышать токовую погрешность ТТ 5i и погрешность напряжения ТН 5и в несколько раз и может приводить к положительной погрешности ИК.

6 При определении коэффициента мощности контролируемого присоединения необходимо учитывать влияние угловых погрешностей ИТ.

7 В настоящее время, как показали результаты исследований в диссертации, для уменьшения погрешности ИК наиболее эффективен технологический путь повышения точности применением ТТ классов точности 0,5S и 0,2S с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов и ТН класса точности 0,1, что можно обеспечить на серийных ТН с минимальными доработками конструкции.

1. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия-Взамен ГОСТ 7746-89 Введ. 2003-01-01- М.: Изд-во стандартов, 2002.

2. International standard 60044- 1©IEC: 1996 "Instrument transformers Part 1: Current transformers".

3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения Взамен ГОСТ 13109-87-Введ. 1999—01-01.— М.: Изд-во стандартов, 1998.

4. Эткинд Л.Л. О межгосударственной стандартизации измерительных трансформаторов, соответствии и противоречии ведомственных и нормативно-технических документов межгосударственным и государственным стандартам // Электро -2003 .-№1.-С. 47-49.

5. ГОСТ 1983-2001. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия- Взамен ГОСТ 1983-89 Введ. 2003-01-01 - М.: Изд-во стандартов, 2002.

6. International standard 60044-2© IEC: 1997 "Instrument transformers Part 2: Inductive voltage transformers".

7. ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам Введ.1991-01-01- М.: Изд-во стандартов, 1990.

8. ГОСТ 23216-78 "Изделия электротехнические. Общие требования к хранению, транспортированию, временной противокоррозионной защите и упаковке Введ. 1979-07-01.-М.: Изд-во стандартов, 1991.

9. Правила устройства электроустановок. Шестое издание, перераб. и доп. С изменениями. -М.: Главгосэнергонадзор России, 1998.

10. РД 34.09.101-94. Типовая инструкция по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении: утв. Главгосэнергонадзором России 02.09.94. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.- С. 135-167.

11. Раскулов Р.Ф., Эткинд JI.JI, О метрологической стабильности и межповерочном интервале трансформаторов тока и напряжения с литой изоляцией/ VI симпозиум «Электротехника2010 ».: Сборник докладов-Московская область 2001- Том I.- С.254-256.

12. Раскулов Р.Ф. Влияние вторичной нагрузки на погрешности трансформаторов тока// Электрические станции 2003 .-№7. — С. 43-45.

13. Гладов Ю.В. К вопросу исследования погрешностей трактов учета электроэнергии в энергосистемах / IV симпозиум «Электротехника 2010 год».: Сборник докладов. М.: ТРАВЭК.- 1997. - Том И.- Доклад 3.18.

14. Гинайло В.А., Оболонский Д.И., Стогний Б.С., Танкевич Е.Н. Измерение и учет электроэнергии в нестандартизированных рабочих условиях ее потребления// Электрические сети и системы.-2003.-№2.- С.29-35.

15. Галанов В.П., Галанов В.В. О влиянии нелинейных и несимметричных нагрузок на качество электрической энергии// Электронный ресурс.: Элек-троный журнал «ЭСКО».- Режим flocTyna:http://esco-ecosys.narod.ru/ 20042 /art41/htm.

16. Третьяк Б.С. Некоторые итоги производства и эксплуатации высоковольтных измерительных трансформаторов// Електротехшка та електроенерге-тика.- 2001 .-№1.- С.21-27.

17. Афанасьев В.В. и др. Трансформаторы тока 2 изд. перераб. и доп.- JL: Энергия-1989-416 с.

18. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество М.: Наука - 1983.688 с.

19. ГОСТ 18685-73 Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения-Введ. 1974—07—01 — М.: Изд-во стандартов, 1973.

20. Бачурин Н. И. Трансформаторы тока. Л.: Энергия, 1964.-376 с.

21. Дымков A.M. и др. Трансформаторы напряжения — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия - 1975.- 200 с.

22. ОСЯ. 219.009-85. Стандарт предприятия. Трансформаторы напряжения однофазные индуктивные до 35 кВ включительно с литой изоляцией. Методика расчета/НИИ ПО «Уралэлектротяжмаш».- Введ. 1986-04-01.

23. Стародубцев Ю.Н., Белозеров В.Я. Магнитные свойства аморфных и на-нокристаллических сплавов. Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2002.384 с.

24. Бордаев В.В., Гуртовцев А.Л., Чижонок В.И. Испытание, выбор и применение низковольтных однофазных измерительных трансформаторов тока // Электрические станции-2004.-№4.-С. 37-45.

25. Matthiessen P., Bamert W. Instrument Transformers — a performance overwiew/ III симпозиум «Электротехника2010 год».: Сборник докладов-Московская область 1995- Том I.- С. 181-190.

26. ГОСТ 8.217-2003. Государственная система обеспечения единства измерений. Трансформаторы тока. Методика поверки Взамен ГОСТ 8.217-87. - Введ. 2004-04-01 - М.: Изд-во стандартов, 2003.

27. ГОСТ 8.216-88. Государственная система обеспечения единства измерений. Трансформаторы напряжения. Методика поверки.- Введ. 1989—01— 01.- М.: Изд-во стандартов, 1988.

28. ГОСТ 20.57.406-81 Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний Введ. 1982—01—01.— М.: Изд-во стандартов, 1991.

29. ГОСТ 16962.1-89 Изделия электротехнические. Методы испытаний на устойчивость к климатическим внешним воздействующим факторам.-Введ. 1990-01-01.-М.: Изд-во стандартов, 1991.

30. ГОСТ 16962.2-90 Изделия электротехнические. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам.- Введ. 1991-01-01.-М.: Изд-во стандартов, 1990.

31. Раскулов Р.Ф. О превышении мощности вторичной нагрузки для трансформаторов тока классов точности 0,2S и 0,5S // Электрические станции.-2003 .-№8-С. 59-62.

32. Раскулов Р.Ф., Смирнов А.С. Применение трансформаторов тока 0,2S и 0,5 S для устранения недоучета электроэнергии // Энерогоанализ и эффективность- Екатеринбург-2003.- № 1С.71.

33. Симкин JI.A., Доманов В.Ф. и др. Опыт эксплуатации и поверки измерительных трансформаторов систем учета электроэнергии // Промышленная энергетика 2000.- № 10.-С. 17-21.

34. Рощин В.А. Результаты экспериментальных исследований средств учета электрической энергии/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады второй науч.-практ. конференции. М.: Изд-во НЦ ЭНАС.-2002.-Доклад 5.- С.1-4.

35. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учебное пособие для студентов втузов 2-е изд., переработ, и доп. - М.: Высшая школа - 1982 - 384 с.:ил.

36. РД 34.11.333-97. Учет электрической энергии и мощности на энергообъектах. Типовая методика выполнения измерений количества электрической энергии: утв. РАО «ЕЭС России» 15.05.97. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.- С. 184-215.

37. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы.- 5-е изд. Пер. со второго американского переработанного издания / Под ред. АрамановичаHTML: Наука.- 1984.- 832 с.

38. Загорский Я.Т., Раскулов Р.Ф. Влияние угловых погрешностей измерительных трансформаторов тока и напряжения на погрешность измерений электроэнергии //Метрология,- 2004 — №10 — С.9-19.

39. Комкова Е.В. Повышение точности учета электрической энергии в электроэнергетических системах: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.14.02, 05.11.15/ ВНИИЭ.- М.- 2002.

40. Чекин В.И., Остриков В.Д. Опыт и проблемы поверки измерительных каналов АСКУЭ в ОАО «Рязаньэнерго»/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады науч.-техн. семинаров и конф. 19982001 гг. М.: Изд-во НЦ ЭНАС.- 2001.- С.279-287.

41. Гладов Ю.В. Технико-экономические проблемы потерь электроэнергии в энергосистемах / IV симпозиум «Электротехника 2010 год».: Сборник докладов. М.: ТРАВЭК.- 1997. - Том II.- Доклад 3.19.

42. Тамазов А.И. Погрешности измерений мощности и электроэнергии // Электро-2002.-№3.— С. 9-12.

43. РД 34.11.321-96. Нормы погрешности измерений технологических параметров тепловых электростанций и подстанций: утв. РАО «ЕЭС России» 03.12.96. М.: Изд-во НЦ ЭНАС.- 2002. - С. 170-183.

44. ГОСТ 30206-94 Статические счетчики Ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2S и 0,5S).- Взамен ГОСТ 26035-83 в части счетчиков активной энергии классов точности 0,2 и 0,5.-Введ.1996-07-01-М.: Изд-во стандартов, 1996.

45. Бордаев В.В., Гуртовцев A.JL, Чижонок В.И. Измерительные трансформаторы тока на 0,4 кВ: испытания, выбор, применение // Новости электро-техники.-2004.-№2 (26).-С.91-94.