автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Экспериментальное исследование метрологических параметров измерительных трансформаторов напряжения



ГI о им

-1 ма? ш

На правах рукописи

СТАРЦЕВ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2000

Работа выполнена на кафедре электрических машин Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пульников А. А.

кандидат технических наук, доцент Алексеев А. А.

доктор технических наук, профессор Загорский Я.Т.

кандидат технических наук, Мангалёв В.И.

Ведущая организация: ОАО «Свердловзнерго», г. Екатеринбург.

Защита состоится 22 марта 2000 г. в аудитории Э212 в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.14.05 при Уральском государственном техническом университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, УГТУ, ученому секретарю.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Автореферат разослан «_»_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДО 63.14.05

кандидат технических наук, доцент В.Ф. Шутько

, -т ,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Необходимость гальванической развязки между высоковольтными частями электроустановок и измерительными приборами (датчиками) и требования унификации измерительных устройств обусловили широкое применение измерительных трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН). Эти устройства являются первичными преобразователями для систем измерений, телеметрии, телемеханики и т.д. Для обеспечения необходимой и достаточной точности измерений в России, как и во всех странах, приняты некоторые нормативы по точности этих измерительных трансформаторов. В частности, имеются нормативы (ГОСТы), вводящие классификацию их по точности. Все измерительные ТН делятся на классы точности, которых выделяется пять : 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0.

Измерительные трансформаторы должны проходить периодическую поверку с межповерочным интервалом, ранее определяемым приложением к ГОСТ 8.002-71 (до отмены этого стандарта), что, в случае применения срсдстз измерений для расчетов с потребителями, соответствует интервалу в 4 года. После отмены этого ГОСТа межповерочный интервал усталав.-птается для каждого типа трансформатора отдельно при проведении испытаний с целью утверждения типа. Данные об этих интервалах содержатся в описаниях типов, которые хранятся в Госреестре средств измерений. Разброс сроков периодической поверки для разных типов трансформаторов составляет от 3 до 8 лет.

На практике периодические поверки, по результатам которых можно корректировать изменения коэффициентов преобразования измерительных систем в процессе эксплуатации не реализуются, поскольку это связано с техническими сложностями. В частности выведение ТН в поверку требует отключения цепей релейной защиты, автоматики и учета на все время поверки и вызывает значительные финансовые затраты. Кроме того, имеется мнение, что можно отказаться от периодической поверки, как являющейся якобы совершенно излишней, забывая при этом требования Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» в части поверки средств измерений при расчетах между покупателем и продавцом. Скорее всего, это мнение обусловлено практически полным отсутствием в РФ информации о метрологическом состоянии ТН с многолетними сроками эксатуатации.

В качестве основного направления по обеспечению поверки ТН в условиях эксплуатации как в России, так и за рубежом сегодня принято

создание передвижных образцовых поверочных установок, однако из-за высокой стоимости таких установок и отсутствия финансирования работы в России практически не ведутся.

В современной практике обычно считается, что параметры ТН в процессе эксплуатации не меняются, т.е. его класс точности остается неизменным. Однако уже в описаниях типа этот факт завуалированно отвергается наличием требований о периодической поверке (для каждого типа ТН). Проверку метрологических характеристик ТН необходимо проводить при некоторых строго нормированных сочетаниях влияющих факторов, таких как значения нагрузки вторичных цепей, напряжения, коэффициента мощности нагрузки, которые в реальных условиях эксплуатации, очевидно, не выдерживаются. Кроме того, магнитопроводы ТН, выполняемые в подавляющем большинстве случаев из листовой электротехнической стали, также со временем меняют свои характеристики. Это обусловлено многими факторами:

«старение» ферромагнетиков из-за наличия вибраций, перепадов температуры и т.п.;

ослабление шихтовки магнитопроводов в процессе эксплуатации; в ТН с литой изоляцией с течением времени происходит дополнительный обжим магнигопровода, связанный с медленными процессами полимеризации компаундов;

при возникновении резких бросков тока в обмотках ТН возможны процессы изменения кривой намагничивания, как это имеет место в измерительных трансформаторах тока, и т.д.

Подтверждением вышесказанного могут служить результаты, полученные в ходе многолетних исследований, проведенных в Чехословацкой национальной и Словацкой региональной энергосистемах в период с 1975 по 1988 г.г., на измерительных трансформаторах напряжения и тока, имеющих номинальные напряжения 110-400 кВ.

Так, в результате калибровок измерительных трансформаторов, проводившихся с помощью передвижной поверочной лаборатории в энергосистемах Словакии с октября 1986 г. по декабрь 1988 г., выявлено, что общее число трансформаторов напряжения, погрешность которых не соответствует заявленному классу точности, может достигать 30 %, а по отдельным классам напряжений может быть значительно выше.

Вопросы метрологии ТН ранее рассматривались, в основном, с позиций научных, безотносительно к реальным практическим задачам. В частности многократные экспериментальные проверки давно показали, что даже реальные значения нагрузок вторичных цепей ТН, которые должны контролироваться достаточно часто и по результатам чего

должны приниматься соответствующие меры, могут в несколько раз превышать номинальные для их работы в заданных классах точности.

Увеличение требований к точности исходной информации привело к осознанию того, что наличие таких «черных ящиков», как измерительные ТТ и ТН, не позволяет доверять системам измерений и учета.

Периодической поверкой на местах эксплуатации в настоящее время практически охвачены только счетчики электроэнергии. Трансформаторы тока и напряжения в своем большинстве работают на энер-гообьектах уже по 15-30 лет и более без должной периодической поверки. Известны источники возникновения погрешностей измерительных трансформаторов при их эксплуатации. Из-за старения материалов, нарушения условий и электрических режимов работы и по ряду других причин погрешности трансформаторов могут превышать допускаемые пределы в несколько раз. Однако стоящая последние 15-20 лет задача обеспечения периодической поверкой трансформаторов тока и напряжения не решается.

Расчетно-экспериментшшшй способ определения метрологических характеристик трансформаторов напряжения по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания опубликован в 1953 г. и в 1995г. после доработки введен Главгосэнергонадзором России как рекомендуемый в «Методику контроля и анализа качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения». В настоящее время этот способ отсутствует в нормативных документах Госстандарта России, так как отсутствуют результаты сличительных испытаний и нет оценки достоверности метрологических характеристик трансформаторов, полученных расчетно-экспериментальньш методом.

Значения пределов допустимых погрешностей ТН в рабочих условиях применения должны соответствовать ГОСТ 1983-89, при этом в ГОСТ 8.216-88 оговаривается, что погрешности ТН должны определяться при уровнях искажения коэффициентов синусоидальности напряжения не более 5 %. Таким образом, вопрос о погрешностях ТН в реачьных условиях, когда коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (Ки) достигает 10 и более процентов, в соответствующих нормативных документах не рассматривается.

Постановлением Правительства РФ введена обязательная сертификация качества электроэнергии. В конце 1999 г. Государственной Думой в третьем чтении принят Закон РФ «Об электромагнитной совместимости». «Временный порядок сертификации электроэнергии по качеству» предусматривает проведение работ по основным показателям качества электроэнергии (отклонение частоты, установившееся отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициенты несимметрии напряжений по об-

ратной и нулевой последовательностям). Проведение работ по качеству электроэнергии предусматривает не только контроль, но и управление основными показателями качества, включая финансовые механизмы, т.е. введение скидок и надбавок к тарифам на электроэнергию для потребителей за качество электроэнергии в зависимости от их долевого вклада. Сегодня известны два способа определения виновника ухудшения показателей качества электроэнергии (ПКЭ).

Первый - измерение ПКЭ до включения потребителя и после включения потребителя. Этот способ обладает одним существенным недостатком - необходимостью полного отключения потребителя, что практически невозможно сделать для потребителей с мощностью более 1 МВт.

Второй - путем определения направлений потоков энергии высших гармоник. Способ основан на измерении гармонических фазовых утлов между токами и напряжениями соответствующих гармоник, и в зависимости от того, в каком квадранте находятся векторы, определяется виновник искажения ПКЭ. Способ применим ко всем потребителям, но его погрешность неизвестка.

В связи с тем что измерения и анализ ПКЭ должны проводиться в диапазоне до 40-й гармоники включительно, в данной работе приведены результаты экспериментальных исследований амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ) ТН,

Таким образом, в настоящее время являются актуальными вопросы определения метрологических параметров и характеристик, диагностики, оценки точности передачи высокочастотного сигнала измерительных ТН находящихся в эксплуатации, как с целью снижения потерь электроэнергии, так и для проведения контроля и анализа качества электрической энергии.

Цель диссертационной работы

1. Разработка и определение достоверности алгоритмов и методик, позволяющих повсеместно проводить определение метрологических параметров и характеристик и диагностику измерительных ТН до 35 кВ включительно, как наиболее массовых первичных преобразователей, при отсутствии специальной аппаратуры.

2. Оценка точности передачи сигнала измерительными ТН при высоких уровнях несинусоидальности напряжения в электрических сетях, т.е. при наличии гармоник напряжения до 40-й включительно.

В задачу диссертационной работы входило:

проведение экспериментальных исследований ТН различных типов изоляции, напряжений, сроков эксплуатации, определение их мет-

рологических параметров и характеристик различными методами, сходимость результатов определения погрешности ТН различными методами;

разработка метода, установки для определения коэффициента передачи измерительного ТН при высоком уровне несинусоидальности напряжения, методики обработки результатов испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты экспериментальных исследований метрологических параметров и характеристик электромагнитных однофазных измерительных трансформаторов напряжения до 35 кВ включительно, с литой и масляной изоляцией, по ГОСТ 8.216-88 и косвенными методами в условиях эксплуатации.

Методы исследования

При проведении работы использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории электрических машин, теории вероятностей и статистической обработки информации, теории цепей, теории гармонического анализа, общей метрологии.

Научная новизна

1. Предложен алгоритм и методика определения метрологических параметров и характеристик измерительных ТН в условиях эксплуатации.

2. Разработан алгоритм обработки результатов сравнительных испытаний и исследованы существующие методики определения метрологических характеристик ТН.

3. Показано, что предложенная методика обладает достаточной статистической стабильностью, простотой проведения и обработки результатов экспериментов.

4. Предложена методика и алгоритм обработки результатов экспериментальных исследований поведения ТН при различных уровнях несинусоидальности напряжения в электрических сетях.

5. Показано, что при проведении анализа качества электрической энергии, в частности при выявлении потребителей - источников токов высших гармоник необходимо измерение метрологических характеристик измерительных ТН.

Практическая ценность

Разработанная методика и алгоритм получения оценки метрологических параметров и характеристик ТН являются составной частью комплекса методических материалов по снижению потерь электроэнергии и проведению контроля и анализа качества электрической энергии.

Разработанный и проверенный алгоритм и методика могут быть использованы эксплуатационным персоналом энергосистем и потребителей для оценки метрологических параметров и характеристик измерительных ТН. На основе этих данных возможно получение выводов о необходимости замены ТН, уменьшения их загрузки, возможности или невозможности подключения дополнительных устройств автоматики, релейной защиты телемеханики. Эти данные также могут быть использованы при разработке «Методик выполнения измерений» по ГОСТ Р 8.563-96, расчетах погрешностей измерения электроэнергии для выявления причин небаланса и расчета его допустимого значения, урегулирования взаимоотношений между продавцом и потребителем элекгртеской энергии.

Приведенные алгоритм, схемные решения и данные о результатах зкепер ¡¡ментальных: исследований ТК при несинусоидальных режимах е электрических сетях могут послужить основой для полномасштабных исследований по оценке влияния погрешностей ТН на точность учета электрической энергии.

В работе показано, что в некоторых случаях возможно получение неверных выводов о виновниках нарушения качества электрической энергии и о значениях долевого вклада потребителей - источников токов высших гармоник в такие ПКЭ, как коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, обусловленные погрешностями измерительных ТН.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийском научно-техническом семинаре «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике» (Москва, 19-23 апреля 1999 г.). Проект нормативного документа «Измерительные трансформаторы напряжения. Методика выполнения измерений параметров схем замещения в условиях эксплуатации» как рекомендации Госстандарта России докладывался 29 декабря 1999 г. на секции Уральского НИИ Метрологии и направлен на

отзывы. Работа, в целом, докладывалась, обсуждалась и получила одобрение на семинаре кафедры электрических машин Уральского государственного технического университета.

Публикации

Результаты работы опубликованы в шести статьях и одном нормативном документе Госстандарта России.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 161 страницу сквозной нумерации, в том числе 97 страниц основного текста (45 рисунков и 6 таблиц), список литературы из 65 наименований на 8 страницах, пять приложений на 56 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются вопросы теоретического и экспериментального исследования метрологических параметров и харак-тепистик тсшеритедыгнх трансформаторов напряжения в условиях эксплуатации на месте рабочей установки. Анализируются ТН электромагнитной системы обычного исполнения с номинальными напряжениями до 35 кВ включительно. В данной работе предлагается определять погрешности ТН расчетом по его схеме замещения (рис.1). При этом параметры схемы замещения определяются по результатам некоторых классических опытов: измерения активных сопротивлений обмоток, опытов холостого хода (XX) и короткого замыкания (КЗ). Поскольку предложенная методика оценки погрешностей ТН основывается на результатах опытов XX и КЗ, то показано, что при проведении этих опытов возможно появление значительных погрешностей, обусловленных физической сущностью процессов в магнитопроводах ТН-наличисм большой несинусоидальности токов и напряжений. Измерительные приборы электродинамической системы, реагирующие на действующие значения измеряемых величин, в этих условиях могут давать значительные погрешности. Поэтому предложена и экспериментально подтверждена эффективность использования при проведении опытов XX и КЗ цифровых регистрирующих приборов, в частности, универсального регистратора- анализатора напряжений УРАН-ЮОМ,

Я1

XI

Я2

и1

Ит

| Хт

Х2

42

РСн

1 Хн

Рис. 1. Схема замещения трансформатора.

которые при обработке измеренных сигналов выделяют первые (и выше) гармонические напряжений и токов.

В работе показана и экспериментально доказана более высокая точность, по сравнению с существующими расчетно-эксперименталь-ными методами, определения метрологических параметров ТН путем выделения первых гармонических токов и напряжении в опытах XX и КЗ, их фазового сдвига и дальнейшего анализа схемы замещения трансформатора.

Значения амплитуд первых гармонических напряжений, токов и гармонических фазовых углов определялись из не менее чем трех опытов как средние арифметические для каждого нз напряжений XX (соответственно 80, 100 и 120% от и лом).

Из не менее чем трех опытов определялись средние арифметические значения амплитуд первых гармоник напряжения, тока и гармонического фазного угла для опыта КЗ. Рассчитывались активные и индуктивные сопротивления схемы замещения ТН (рис. 1) по формулам:

д =

и.

НОМ

•С05 (рк ■

I.

и.

х =

I т.к.

д2 = д-д'1;

Х'\ =

т-х я

Х2 = Х-ХЧ.

Рассчитывались активное и индуктивное сопротивления расчетной нагрузки ТН для значений 25, 100, 120 % от 5иом{1р) по формулам:

D U2l*

^mp

v U2i„ . Ah = —— • sm <рлам

Smp

Рассчитывались активное и индуктивное сопротивления шунта намагничивания ТН при напряжении 80, 100 и 120 % от U;„0M:

Um. о. -cos (р0 .

Rm =

Хт =

Im о. Um о. ■ sin (pa

1ш .о.

После определения параметров схемы замещения ТН рассчитываются действительная и мнимая составляющие напряжения вторичной обмотки:

т = С/2а + Д/2Л,

при известных значениях напряжения первичной обмотки, принимаемых равным 80, 100 и 120% от и 1Ном

Значения погрешностей напряжения и угловые погрешности рассчитываются по формулам;

и 2

= 60 -аг-сге--.

V 2а

где Дик- значение витковой коррекции.

Витковая коррекция представляет собой рассчитываемую на этапе проектирования ТН недомотку некоторого числа витков первичной (высоковольтной) обмотки ТН с целью смещения нагрузочной характеристики для расширения диапазона возможных вторичных нагрузок. В этой работе использованы величины вотковой коррекции конкретных типов трансформаторов по данным заводов - изготовителей.

Предложенный алгоритм и методика прошли экспериментальную апробацию, и результаты подтвердили их состоятельность, простоту, надежность и достаточную сходимость. Всего были обследованы 33 новых ТН с литой изоляцией и 14 ТН с масляной изоляцией, причем последние имели сроки эксплуатации более 35 лет. Сходимость оценивалась как совпадение погрешностей напряжения и угловых погрешностей обследованных ТН, определенных стандартными методами и полученных по предложенной методике. Проведен анализ метрологиче-

ских параметров испытанных трансформаторов и сделан вывод о недостаточной точности намотки витков обмоток ТН, исходя из чего понятие «витковая коррекция» является весьма неопределенным. Проведен анализ влияния точности результатов косвенных опытов для получения при их обработке оценок метрологических параметров измерительных ТН. Показано, что наибольшими должны быть точность и тщательность при проведении опытов короткого замыкания, как наиболее значимых с у казанных позиций.

Во второй главе приведены результаты статистической обработки результатов испытаний измерительных ТН, которая заключалась в том, что сравнивались погрешности напряжения и угловые погрешности, полученные различными методами. В результате такого сравнения определены разности погрешностей напряжения и угловых погрешностей ТН, полученных различными методами.

Показано, что разности погрешностей напряжения не подчиняются нормальному закону распределения. Доказано, что заводы - изготовители ТН недостаточно точно выдерживают намотку витков обмоток для осуществления вигковой коррекции. В частности показано, что для испытанных ТН с литой изоляцией (производства АООТ СЗТТ) ошибка в намотке обмотки низкого капряжештя в один виток приводит к изменению погрешности напряжения на 0,1 %; для испытанных ТН с масляной изоляцией - на 0,05 %.

На рис. 2 приведена гистограмма разностей погрешностей напряжения для 33-х ТН с литой изоляцией. Разность определяется как:

где Д^овд - погрешность напряжения, найденная по ГОСТ 8.216-88; Д^расч. - погрешность напряжения, найденная по предложенной методике.

Предложена и проверена по критерию согласия Пирсона трехмо-дальная функция распределения разностей погрешностей напряжения:

Показано, что разности погрешностей определения коэффициента трансформации ТН по напряжению между результатами, полученными по ГОСТ 8.216-88 и результатами полученными то предложенной методике, находятся в диапазоне от - 0,204 до + 0,224 % для ТН с лигой изоляцией, и от - 0,12 до +0,12 % для ТН с масляной изоляцией при доверительной вероятности 0,95.

На рис. 3 приведена гистограмма разностей угловых погрешностей для ТН с литой изоляцией. Разности определялись аналогично разно-

ЛЛ/ = Д/И№, -АЛ

расч '

стям для погрешностей напряженно. Показано, что разности угловых погрешностей ТН не подчиняются нормальном}' закону распределения. Предложена и проверена по критерию согласия Пирсона трехмодаль-ная показательная (экспоненциальная) функция распределения для ТН с литой изоляцией:

/•(*) = У (-^--

и двухмодальная показательная функция распределения для ТН с масляной изоляцией:

2 „.. .. ^

Диапазоны р&тостей погрешностей напряжения, %

Р и с. 2. Гистограмма разностей погрешностей напряжения для ТН с литой изоляцией

Показано, что модальность функции распределения также определяется витковой коррекцией ТН. Разности угловых погрешностей коэффициента трансформации ТН, полученными по ГОСТ 8.216-88 и предложенной методике находится в диапазоне 0...8 мин. для

Дралзэоиы резкостей угловых погрешностей, Зимин.

Р и с. 3, Гистограмма ралноетей угловых погрешностей для ТН с литой изоляцией.

ТН с литой изоляцией, и-4,5 ... +2,5 мин. для ТН с масляной изоляцией при доверительной вероятности 0,95.

р. третьей главе приводятся метод и описание экспериментальной установки для определения погрешности измерительных ТН при передаче периодических синусоидальных сигналов со значительными искажениями.

Известно, что такие показатели качества электрической энергии, как «коэффициент искажения синусоидальности напряжения» и «коэффициент п-й гармонической напряжения», относятся к основным ПКЭ и проверяются практически всеми современными устройствами. Соответственно, в нормативных документах приводятся требования к точности измерения этих показателей. При этом, вполне очевидно, возникают вопросы о погрешностях измерительных ТН при наличии несинусоидальности в высоковольтной сети. Кроме того, при измерениях ПКЭ в режиме «анализ», т.е. в режимах, когда регистрируются токи и напряжения с целью выявления виновников нарушения указанных показателей, весьма актуальным является вопрос о точности измерения так называемых «гармонических фазовых углов», т.е. углов фазовых сдвигов между токами и напряжениями каждой из гармоник. Здесь также возникает вопрос о том, насколько точно передаются сигналы высокой частоты, т.е. каковы угловые погрешности ТН на частотах выше синхронной.

Все экспериментальные исследования проводились с использованием регистратора УРАН-100М. Из-за ограниченности средств исследованиям были подвергнуты только два ТН типа НОМ-Ю. Однако эти эксперименты показали практическую возможность проведения полномасштабных серийных исследований такого рода на ТН любых типов.

Основные выводы, полученные при обработке полученных данных, могут быть сформулированы следующим образом:

1.При возможных вариациях основных влияющих факторов (напряжения, мощность нагрузки) погрешности ТН в передаче синусоид высших гармоник (при их наложении на синусоиду основной частоты) не превышают 0,05 %, чгго допустимо с точки зрения точности измерения ПКЭ (рис.4).

2. Угловые погрешности ТН при передаче синусоид высших порядков прямо пропорциональны номерам гармоник и могут достигать десятков градусов (рис.5).

0.06 0,0« 0.02 0

-0,02 -0.04 -0.06 -0.08

Р и с. 4. Гистограмма средних разностей погрешностей n-х гармонических: U=UK(M, нагрузка S=2S1IOM , cos cp =1.0

ill.

1 L . ,8 L J

2 в ITIjiiii8ili.!ilililiisIlll B|8 10 12 14 16 18 20 22 24 25 28 30 2 2 34 36 38 40

Номер гармоники

12

1 3 5 7 9 11 13 15 17 18 21 23 22 27 25 31 33 35 37 ЗЭ

Номер гармоники

Р и с. 5. Гистограмма средних по серии опытов гармонических фазовых углов ТН НОМЮ(2): и=ином , режим холостого хода.

Экспериментально показано, что угловая погрешность ТН при передаче наложенного высокочастотного сигнала определяется угловой погрешностью ТН на основной частоте.

Результаты измерений различными методами, полное изложение используемых методик, описания и технические характеристики приборов и технических средств даны в приложениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный в 1953 г. М. И. Левиным метод определения метрологических характеристик ТН по результатам измерений омического сопротивления обмоток, токов и напряжений в режимах холостого хода и короткого замыкания на современном этапе развития измерительного оборудования вполне применим в практике.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при опытах XX и КЗ синусоидальность тока и напряжения превышает 5%, в результате чего предложенная М.И. Левиным методика при использовании результатов измерений обычными приборами электродинамической системы может давать существенные погрешности.

Появление нового оборудования - универсального регистратора анализатора напряжений УРАН 100М, комплекса для измерений и ана-

лиза ПКЭ «Омск», прибора ППКЭ и др., позволяющих производить измерения амплитуд токов и напряжений, фазовых сдвигов между током и напряжением, вплоть до 40-й гармоники, позволило доработать метод, предложенный М.И. Левиным.

В данной работе предложено определять погрешности ТН расчетом по схеме его замещения по результатам измерения активных сопротивлений обмоток и значений амплитуд первых гармонических напряжений, токов и гармонических фазовых углов в опытах XX и КЗ с последующим расчетом погрешности ТН. Оценку истинного значения погрешности ТН, как косвенно измеряемой величины, получают подстановкой оценок исткнных значений исходных величин в уравнение их зависимости, а в качестве наиболее достоверного значения косвенно измеряемой величины понимают значение, получаемое подстановкой в уравнение косвенного измерения средних арифметических исходных величин.

Методика основана на том, что для первых гармонических токов и напряжений трансформатор рассматривается как классический линейный четырехполюсник, и в результате получены простые, понятные по физическом}' смысл}' соотношения.

Были проведены две серии проверочных работ. Первая серия была проведена в 1998 году. Всего было испытано 33 ТН номинальным напряжением от 3 до 35 кВ. Испытаниям подвергались новые ТН, серийно выпускаемые на АООТ СЗТТ. Вторая серия проводилась в 1999 году. Испытаниям подвергались 14 ТН типа НОМ-15 (номинальное напряжение 13,8 кВ), снятые с эксплуатации на Боткинской ГЭС. Срок службы этих ТН - от 37 до 42 лет.

При проведении первой серии испытаний (33 новых ТН с литой изоляцией) часть измерений проводилась дважды: первый раз с использованием обычных приборов электродинамической системы, реагирующих на действующие значения напряжения, тока и активной мощности; второй раз - с использованием универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН-100М.

Для каждого испытанного трансформатора первой серии получены результаты испытаний:

по ГОСТ 8.216-88 в лаборатории АООТ СЗТТ; в эксплуатации по результатам опытов XX и КЗ с применением обычных приборов электродинамической системы и с обработкой результатов по методике;

в эксплуатации по результатам опытов XX и КЗ с применением универсального регистратора - анализатора напряжений УРАН-100М и предложенным алгоритмом обработки результатов.

Для каждого испытанного трансформатора второй серии получены результаты испытаний:

по ГОСТ 8.216-88 в лаборатории АООТ СЗТТ; в эксплуатации по результатам опытов XX и КЗ с применением универсального регистратора - анализатора напряжений УРАН-100М и предложенным алгоритмом обработки резз'льтатов.

Сходимость результатов испытаний проверялась путем статистической обработки разностей погрешностей ТН. Под разностями погрешностей в данной работе принято понимать разность между погрешностями напряжения и угловыми погрешностями полученными разными методами.

При использовании универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН-100М класса 0.2 по ток}' и напряжению и предложенной методики сходимость результатов измерений и расчетов погрешностей с результатами измерений погрешностей ТН по ГОСТ 8.216-88 не превышает:

ТН с литой изоляцией - погрешность напряжения ± 0,23 %, угловая погрешность 0...8 мни. (± 4 мин. от значения 4 мин.):

ТН с масляной изоляцией - погрешность напряжения + 0,12 %, угловая погрешность -4.5...+2,5 мин.(± 3,5 мин. от значения - 1 тт.).

Показано, что у некоторых ТН имеются ошибки в намотке обмоток, что приводит к отличиям действительных и расчетио-кокструкго -рских величин витковой коррекции. У исследованных трансформаторов она составляет для погрешностей напряжения ТН с литой изоляцией ± 0,1 %, с масляной изоляцией ±0,05%.

При наличии в технической документации завода-изготовителя ТН данных о фактической витковой коррекции конкретного ТН и ее учета в расчетах можно ожидать сходимости результатов погрешностей напряжения, определяемых разными методами, не превышающей 0,15 %.

В работе показано, что при использовании оборудования типа УРАН-ЮОМ возможно создание простой установки для исследования поведения ТН при несинусоидальных режимах в сети.

Сделан вывод о незначительной погрешности испытываемого ТН при передаче высших гармонических составляющих спектра напряжения в диапазоне частот 50-2000 Гц, у исследованных ТН она не превышает 0,1%.

Выявлено, что во всех опытах гармоники приблизительно до 10-й передаются с усилением, а гармоники более высоких порядков - с ослаблением. Объяснение этому явлению может быть дано при проведении полномасштабных серийных опытов и дополнительных исследований.

Выявлено, что для исследованных ТН практически погрешность в передаче гармонического фазового угла определяется угловой погрешностью ТН. При этом можно предположить, что при проведении анализа качества электрической энергии по такому показателю, как коэффициент п-й гармонической напряжения, возможно появление серьезных ошибок в определении виновника и определении долевого вклада отдельных потребителей-источников токов высших гармонических составляющих токов и напряжений. Особенно это касается случаев использования ТН с большими угловыми погрешностями. Так, если предположить, что некий ТН имеет угловую погрешность 20 мин., то в метриках 40-й гармонию! эта погрешность возрастает в 40 раз и будет составлять 13 град.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Алексеев A.A., Старцев А.П. Определение метрологических характеристик измерительных трансформаторов напряжения в условиях эксплуатации. — Проблемы энергетики и энергосбережения на Западном Урале. - Пермь. - №3. - 1999. - С.35-38.

2.Алексеев A.A., Старцев А.П. Методика определения метрологических характеристик ТН до 35 кв в рабочих условиях эксплуатации. Материалы научно - технического семинара «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике». М.: - НЦ ЭНАС. - 1999. - С.73-76.

Ъ.Затроа Д.Г., Головкин Б.Н., Старцев А.П. Методологические подходы к комплексному решению проблем энергосбережения и экологической безопасности. Промышленная энергетика - №5. - 1997. -С. 50-54.

4.ИгишевВ.Д., Старцев А.П. Опыт эксплуатации и внедрения систем коммерческого учета электрической и тешговой энергии в Пермской области. Промышленная энергетика. - №7. - 1998. - С.17-19

5. .Пирогов В.Н., Старцев А.П. Концепция системного расчетного учета электроэнергии. Промышленная энергетика. - №1. - 1999. -С.31-35.

6. Старцев А.П., Мамонов В.А. Система предварительной оплаты за электроэнергию. Опыт внедрения и эксплуатации. Материалы научно-технического семинара «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике». М.: - НЦ ЭНАС. - 1999. -С. 161—168.

7. МИ 2551-99. Рекомендация ГСИ. Универсальный регистратор-анализатор качества электрической энергии УРАН - 100М, Методика поверки / Берлин A.C., Алексеев A.A., Старцев А.П.

Введение.

Глава 1. Исследование методов оценки погрешностей измерительных трансформаторов напряжения в условиях эксплуатации.

1.1. Основные параметры и характеристики измерительных ТН.

1.2. Описание расчетно-экспериментальных методов и алгоритмов оценки погрешностей измерительных трансформаторов напряжения.

Глава 2. Статистическая обработка результатов сравнительных испытаний измерительных ТН.

2.1. Статистическая обработка разностей погрешностей напряжений

2.2. Статистическая обработка разностей угловых погрешностей.

2.3. Некоторые замечания об используемых приборах.

2.4. Экспериментальное исследование метрологических характеристик трансформаторов напряжения, имеющих сроки эксплуатации

20-30 лет.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований и анализ передаточных характеристик измерительных ТН в диапазоне частот 50 - 2000 Гц.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Экспериментальные исследования передаточных характеристик (АФЧХ) трансформаторов напряжения.

3.3. Обработка результатов экспериментальных работ.

Энергетика является определяющим фактором развития экономики любой страны. Низкая энергетическая эффективность российской экономики стала одной из главных причин напряженности в топливо- и энергоснабжении страны. Проблема высокой энергоемкости производства усугубляется исключительно низким уровнем полезного использования энергоресурсов. На всех последовательных этапах добычи, переработки, преобразования, транспортировки и распределения первичных источников и на всех ступенях использования энергии в материальном производстве, сфере услуг в целом теряется около 90% энергии от первоначального уровня [20].

Всегда уделялось большое внимание повышению эффективности функционирования энергетической отрасли в целом. Проблемы метрологического обеспечения измерений для учета электроэнергии в электроэнергетической отрасли продолжительное время считались малозначащими и второстепенными. Например, в числе около 20 отраслевых научно-технических программ НИОКР отрасли «Электроэнергетика» Минэнерго СССР программа «Метрология, стандартизация и сертификация» появилась как самостоятельная лишь в РАО «ЕЭС России» 1994 г.

На протяжении десятков лет не уделялось достаточного внимания созданию эталонной базы страны и средств измерений электроэнергии, правильному выбору и применению средств измерений электроэнергии, соблюдению условий измерений на энергетических объектах, разработке и правильному применению метрологических норм и правил и другим метрологическим работам.

Последние годы в электроэнергетической отрасли отношение к учету электроэнергии стало постепенно меняться. Как в РАО «ЕЭС России», так и в отдельных АО-энерго проясняется то, что вкладывание финансовых средств в учет электроэнергии способно окупить себя в кратчайшие сроки, а задержка с решением проблем учета продолжает вести к дальнейшему нарастанию существенных экономических потерь [4].

Потери электроэнергии в электроэнергетике определяются как: ПОСТУПЛЕНИЕ + ВЫРАБОТКА - ОТДАЧА - РЕАЛИЗАЦИЯ = ПОТЕРИ.

При таком подходе понятие «потери» - это фактический небаланс АО-энерго, предприятия электрических сетей, района электрических сетей, подстанции, шины, включающий в себя и собственно технологические потери электроэнергии, и так называемые «коммерческие потери». В состав коммерческих потерь электроэнергии входят и все недостатки учета электроэнергии.

По данным АО «Пермэнерго», в 1999 г. расход электроэнергии на ее транспорт в сетях составил:

- в мае - 138 500 МВт-ч, или 10,59 %;

- в июне - 63 ООО МВт-ч, или 5,42 %;

- в июле - 91 705 МВт-ч, или 8,05 %;

- в августе - 131 900 МВт-ч, или 10,7 %;

- в сентябре - 182 270 МВт-ч, или 13,68 %.

По сравнению с 1998 г. потери в сентябре возросли на 116 001 МВт-ч. По данным АО «Челябэнерго», сравнительный анализ отчетных и статистических данных о поступлении в сеть и потерях электроэнергии показал, что при снижении за 1990-1998 г. г. поступления в сеть 0,4 - 220 кВ в 1,5 раза потери электроэнергии возросли в 1,6 раза, или на 470 МВт-ч. То же самое творится как в сетях РАО «ЕЭС России», так и в сетях других АО-энерго. Такой рост потерь, при снижении поступления в сеть, объясняется значительным ростом коммерческих потерь электроэнергии, в частности недоучетом отпущенной электроэнергии из-за недопустимо больших погрешностей средств учета и безучетным потреблением электроэнергии.

Переход экономики России на новые системы хозяйствования, выделение из состава АО-энерго станций и сетей в РАО «ЕЭС России», увеличение тарифов, внедрение автоматизированного учета и введение новых форм расчетов вынуждают повышать точность коммерческого учета и вообще всей системы электрических измерений, что привело к существенному повышению интереса к этим проблемам. Жесткие требования к достоверности расчетного учета, защищенности технических средств этого учета от несанкционированного доступа, снижение затрат на эксплуатацию средств учета заставляют АО-энерго внедрять системный подход к организации расчетного и технического учета электроэнергии, т.е. переходить к применению на практике систем балансов электроэнергии, включая расчеты фактического и допустимого небаланса [37].

В настоящее время внедряются в практику системы АСКУЭ [25], системы, совмещающие финансовые расчеты и учет электроэнергии (системы предварительной оплаты) [53], новые формы расчетов за электроэнергию (расчеты по фактическому максимуму нагрузки, различные тарифы по различным классам напряжений, дифференцированные по разным временам суток для различных категорий потребителей тарифы и т.п.). В результате вместо классических индукционных счетчиков класса 1 и 2 начинают массово применяться электронные «интеллектуальные» счетчики классов 0,2 и 0,5, позволяющие учитывать активную и реактивную электроэнергию и мощность по зонам суток с интервалом от 3 минут, запоминанием инте-грал^пвхгдш^шатрвшз^йшвЕШ1ше врршгащапакштсттполучением информации для принятия правильных решений, во многом связаны с тем, что в состав измерительных комплексов входят измерительные трансформаторы напряжения (ТН) и тока (ТТ). В данной работе рассматриваются некоторые вопросы, связанные с точностью работы измерительных ТН и алгоритмами получения оценок их метрологических характеристик в условиях эксплуатации.

Актуальность работы

Необходимость гальванической развязки между высоковольтными частями электроустановок и измерительными приборами (датчиками) и требования унификации измерительных устройств обусловили широкое применение измерительных трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН). Эти устройства являются первичными преобразователями для систем измерений, телеметрии, телемеханики и т.д. Для обеспечения необходимой и достаточной точности измерений в России, как и во всех странах, приняты некоторые нормативы по точности этих измерительных трансформаторов. В частности, имеются нормативы (ГОСТы), вводящие классификацию их по точности. Все измерительные ТН делятся на классы точности, которых выделяется пять : 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0.

Измерительные трансформаторы должны проходить периодическую поверку с межповерочным интервалом, ранее определяемым приложением к ГОСТ 8.002-71 (до отмены этого стандарта), что, в случае применения средств измерений для расчетов с потребителями, соответствует интервалу в 4 года. После отмены этого стандарта межповерочный интервал устанавливается для каждого типа трансформатора отдельно при проведении испытаний с целью утверждения типа. Данные об этих интервалах содержатся в описаниях типов, которые хранятся в Госреестре средств измерений. Разброс сроков периодической поверки для разных типов трансформаторов составляет от 3 до 8 лет.

На практике периодическая поверка, по результатам которой можно корректировать изменения коэффициентов преобразования ТН в процессе эксплуатации, не реализуется, поскольку это связано с техническими сложностями. В частности выведение ТН в поверку требует отключения цепей релейной защиты, автоматики и учета на все время поверки и вызывает вает значительные финансовые затраты. Кроме того, имеется мнение [22], что можно отказаться от периодической поверки, как являющейся якобы совершенно излишней, забывая при этом требования Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» [21] в части поверки средств измерений при расчетах между покупателем и продавцом. Скорее всего, это мнение обусловлено практически полным отсутствием в Российской Федерации информации о метрологическом состоянии ТН с многолетними сроками эксплуатации.

В качестве основного направления по обеспечению поверки ТН в условиях эксплуатации как в России, так и за рубежом, сегодня принято создание передвижной образцовой поверочной установки, однако из-за высокой стоимости такой установки и отсутствия финансирования работы в России практически не ведутся.

В современной практике обычно считается, что параметры ТН в процессе эксплуатации не меняются, т.е. его класс точности остается неизменным. Однако уже в описаниях типа этот факт завуалированно отвергается наличием требований о периодической поверке для каждого типа ТН. Проверку метрологических параметров ТН необходимо проводить при некоторых строго нормированных сочетаниях влияющих факторов, таких как значения нагрузки вторичных цепей, напряжения, коэффициента мощности нагрузки, которые в реальных условиях эксплуатации, очевидно, не выдерживаются. Кроме того, магнитопроводы ТН, выполняемые в подавляющем большинстве случаев из листовой электротехнической стали, также со временем меняют свои характеристики. Это обусловлено многими факторами:

-«старение» ферромагнетиков из-за наличия вибраций, перепадов температуры и т.п.;

- ослабление шихтовки магнитопроводов в процессе эксплуатации;

- в ТН с литой изоляцией с течением времени происходит дополнительный обжим магнитопровода, связанный с медленными процессами полимеризации компаундов;

- при возникновении резких бросков тока в обмотках ТН возможны процессы изменения кривой намагничивания, как это имеет место в измерительных трансформаторах тока, и т.д.

Подтверждением вышесказанного могут слулсить результаты, полученные в ходе многолетних исследований, проведенных в Чехословацкой национальной и Словацкой региональной энергосистемах в период с 1975 по 1988 гг., на измерительных трансформаторах напряжения и тока, имеющих номинальные напряжения 110-400 кВ.

Так, в результате калибровок измерительных трансформаторов, проводившихся с помощью передвижной поверочной лаборатории в энергосистемах Словакии с октября 1986 г. по декабрь 1988 г., выявлено, что общее число трансформаторов напряжения, погрешность которых не соответствует заявленному классу точности, может достигать 30%, а по отдельным классам напряжений может быть значительно выше [22].

Вопросы метрологии ТН ранее рассматривались, в основном, с позиций научных, безотносительно к реальным практическим задачам. В частности многократные экспериментальные проверки давно показали, что даже реальные значения нагрузок вторичных цепей ТН, которые должны контролироваться достаточно часто и по результатам должны приниматься соответствующие меры, могут в несколько раз превышать номинальные для их работы в заданных классах точности.

Увеличение требований к точности исходной информации привело к осознанию того, что наличие таких «черных ящиков», как измерительные ТТ и ТН, не позволяет доверять системам измерений и учета.

Периодической поверкой на местах эксплуатации в настоящее время практически охвачены только счетчики электроэнергии. Трансформаторы тока и напряжения в своем большинстве работают на энергообъектах уже по 15-30 лет и более без должной периодической поверки. Известны источники возникновения погрешностей измерительных трансформаторов при их эксплуатации. Из-за старения материалов, нарушения условий и электрических режимов работы и по ряду других причин погрешности трансформаторов могут превышать допускаемые пределы в несколько раз. Однако стоящая последние 15-20 лет задача обеспечения периодической поверкой трансформаторов тока и напряжения не решается [4].

Расчетно-экспериментальный способ определения метрологических характеристик трансформаторов напряжения по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания опубликован в 1953 г. [28] и в 1995 г. после доработки введен Главгосэнергонадзором России как рекомендуемый в «Методику контроля и анализа качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения» [32]. В настоящее время этот способ отсутствует в нормативных документах Госстандарта России, так как отсутствуют результаты сличительных испытаний и нет оценки достоверности метрологических характеристик трансформаторов, полученных путем использования результатов опытов холостого и короткого замыкания.

Значения пределов допустимых погрешностей ТН в рабочих условиях применения должны соответствовать ГОСТ 1983 - 89, при этом в ГОСТ 8.216-88 оговаривается, что погрешности ТН должны определяться при уровнях искажения коэффициентов синусоидальности напряжения не более 5%. Таким образом, вопрос о погрешностях ТН в реальных условиях, когда коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (Ки) достигает 10 и более процентов, в соответствующих нормативных документах не рассматривается.

Постановлением Правительства РФ [38] введена обязательная сертификация качества электроэнергии. В конце 1999 г. Государственной Думой в третьем чтении принят Закон РФ «Об электромагнитной совместимости». «Временный порядок сертификации электроэнергии по качеству» предусматривает проведение работ по основным показателям качества электроэнергии (отклонение частоты, установившееся отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям). Проведение работ по качеству электроэнергии предусматривает не только контроль, но и управление основными показателями качества, включая финансовые механизмы, т.е. введение скидок и надбавок к тарифам на электроэнергию для потребителей за качество электроэнергии в зависимости от их долевого вклада. Сегодня известны два способа определения виновника ухудшения показателей качества электроэнергии (ПКЭ).

Первый - измерение ПКЭ до включения потребителя и после включения потребителя. Этот способ обладает одним существенным недостатком - необходимостью полного отключения потребителя, что практически невозможно сделать для потребителей с мощностью более 1 МВт.

Второй - путем определения направлений потоков энергии высших гармоник. Способ основан на измерении гармонических фазовых углов между токами и напряжениями соответствующих гармоник, и в зависимости от того, в каком квадранте находятся векторы, определяется виновник искажения ПКЭ. Способ применим ко всем потребителям, но его погрешность неизвестна.

В связи с тем что измерения и анализ ПКЭ должны проводиться в диапазоне до 40-й гармоники включительно, в данной работе приведены результаты экспериментальных исследований амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ) ТН.

Таким образом, в настоящее время являются актуальными вопросы определения метрологических параметров и характеристик, диагностики, оценки точности передачи высокочастотного сигнала измерительных ТН находящихся в эксплуатации, как с целью снижения потерь электроэнергии, так и для проведения контроля и анализа качества электрической энергии.

Цель диссертационной работы

1. Разработка и определение достоверности алгоритма и методики, позволяющих повсеместно проводить определение метрологических параметров и характеристик и диагностику измерительных ТН до 35 кВ включительно, как наиболее массовых первичных преобразователей, при отсутствии специальной аппаратуры.

2. Оценка точности передачи сигнала измерительными ТН при высоких уровнях несинусоидальности напряжения в электрических сетях, т.е. при наличии гармоник напряжения до 40-й включительно.

В задачу диссертационной работы входило:

- проведение экспериментальных исследований ТН различных типов изоляции, напряжений, сроков эксплуатации, определение их метрологических параметров и характеристик различными методами, сходимость результатов определения погрешности ТН различными методами;

- разработка метода, установки для определения коэффициента передачи измерительного ТН при высоком уровне несинусоидальности напряжения, методики обработки результатов испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты экспериментальных исследований метрологических параметров и характеристик электромагнитных однофазных измерительных трансформаторов напряжения до 35 кВ включительно, с литой и масляной изоляцией, по ГОСТ 8.216-88 и косвенными методами в условиях эксплуатации.

Объект исследования

Электромагнитные однофазные измерительные трансформаторы напряжением до 35 кВ.

Методы исследования

При проведении работы использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории электрических машин, теории вероятностей и статистической обработки информации, теории цепей, теории гармонического анализа, общей метрологии.

Научная новизна

1. Предложен алгоритм и методика определения метрологических параметров и характеристик измерительных ТН в условиях эксплуатации.

2. Разработан алгоритм обработки результатов сравнительных испытаний и исследованы существующие методики определения метрологических характеристик ТН.

3. Показано, что предложенная методика обладает достаточной статистической стабильностью, простотой проведения и обработки результатов экспериментов.

4. Предложена методика и алгоритм обработки результатов экспериментальных исследований поведения ТН при различных уровнях несинусоидальности напряжения в электрических сетях.

5. Показано, что при проведении анализа качества электрической энергии, в частности при выявлении потребителей - источников токов высших гармоник, необходимо измерение метрологических характеристик измерительных ТН.

Практическая ценность

Разработанная методика и алгоритм получения оценки метрологических параметров и характеристик ТН являются составной частью комплекса методических материалов по снижению потерь электроэнергии и проведению контроля и анализа качества электрической энергии.

Разработанные и проверенные алгоритм и методика могут быть использованы эксплуатационным персоналом энергосистем и потребителей для оценки метрологических параметров и характеристик измерительных ТН. На основе этих данных возможно получение выводов о необходимости замены ТН, уменьшения их загрузки, возможности или невозможности подключения дополнительных устройств автоматики, релейной защиты, телемеханики. Эти данные также могут быть использованы при разработке «Методик выполнения измерений» по ГОСТ Р 8.563-96, расчетах погрешностей измерения электроэнергии для выявления причин небаланса и расчета его допустимого значения, урегулирования взаимоотношений между продавцом и потребителем электрической энергии.

Приведенные алгоритм, схемные решения и данные о результатах экспериментальных исследований ТН при несинусоидальных режимах в электрических сетях могут послужить основой для полномасштабных исследований по оценке влияния погрешностей ТН на точность учета электрической энергии.

В работе показано, что в некоторых случаях возможно получение неверных выводов о виновниках нарушения качества электрической энергии и о значениях долевого вклада потребителей - источников токов высших гармоник в такие ПКЭ, как коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, обусловленные погрешностями измерительных ТН.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийском научно-техническом семинаре «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике» (Москва, 19-23 апреля 1999 г.). Проект нормативного документа «Измерительные трансформаторы напряжения. Методика выполнения измерений параметров схем замещения в условиях эксплуатации» как рекомендации Госстандарта России докладывался 29 декабря 1999 г. на секции Уральского НИИ Метрологии и направлен на отзывы. Работа, в целом, докладывалась, обсуждалась и получила одобрение на семинаре кафедры электрических машин Уральского государственного технического университета.

Публикации

Результаты работы опубликованы в шести статьях и одном нормативном документе Госстандарта России.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 161 страницу сквозной нумерации, в том числе 97 страниц основного текста (45 рисунков и 6 таблиц), список литературы из 65 наименований на 8 страницах, пять приложений на 56 страницах.

Заключение

Предложенный в 1953 г. М. И. Левиным метод определения метрологических характеристик ТН по результатам измерений активных сопротивлений обмоток, токов и напряжений в режимах холостого хода и короткого замыкания на современном этапе развития измерительного оборудования вполне применим в практике.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при опытах XX и КЗ синусоидальность тока и напряжения превышает 5%, в результате чего предложенная М. И. Левиным методика при использовании результатов измерений обычными приборами электродинамической системы может давать существенные погрешности.

Появление нового оборудования - универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН-100М, комплекса для измерений и анализа ПКЭ «Омск», прибора ППКЭ и др., позволяющих производить измерения амплитуд токов и напряжений, фазовых сдвигов между током и напряжением, вплоть до 40-й гармоники, позволило доработать метод, предложенный М. И. Левиным.

В данной работе предложено определять погрешности ТН расчетом по схеме его замещения, используя результаты измерений активных сопротивлений обмоток и амплитуд первых гармонических составляющих напряжений, токов и гармонических фазовых углов в опытах XX и КЗ. Оценку значения погрешности ТН, как косвенно измеряемой величины, получают подстановкой оценок значений исходных величин в уравнение их зависимости, а в качестве наиболее достоверного значения косвенно измеряемой величины понимают значение, получаемое подстановкой в уравнение косвенного измерения средних арифметических исходных величин.

Методика основана на том, что для первых гармонических составляющих токов и напряжений трансформатор рассматривается как классический линейный четырехполюсник. В результате получены простые и понятные по физическому смыслу соотношения.

Были проведены две серии проверочных работ. Первая серия была проведена в 1998 году. Всего было испытано 33 ТН с литой изоляцией номинальным напряжением от 3 до 35 кВ. Испытаниям подвергались новые ТН, серийно выпускаемые на АООТ СЗТТ. Вторая серия проводилась в 1999 году. Испытаниям подвергались 14 ТН с масляной изоляцией типа НОМ-15 (номинальное напряжение 13,8 кВ), снятые с эксплуатации на Боткинской ГЭС. Срок службы этих ТН - от 37 до 42 лет.

При проведении первой серии испытаний (33 новых ТН с литой изоляцией) часть измерений проводилась дважды: первый раз с использованием обычных приборов электродинамической системы, измеряющих действующие значения напряжения, тока и активной мощности; второй раз -с использованием универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН-100М.

Для каждого испытанного трансформатора первой серии получены результаты испытаний:

- по ГОСТ 8.216-88 в лаборатории АООТ «СЗТТ»;

- в эксплуатации по результатам опытов XX и КЗ с применением обычных приборов электродинамической системы и с обработкой результатов по методике [32];

- в эксплуатации по результатам опытов XX и КЗ с применением универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН - 100М и предложенным алгоритмом обработки результатов.

Для каждого испытанного трансформатора второй серии получены результаты испытаний:

- по ГОСТ 8.216-88 в лаборатории АООТ «СЗТТ»;

- в эксплуатации по результатам опытов XX и КЗ с применением универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН-100М и предложенным алгоритмом обработки результатов.

Сходимость результатов испытаний ТН проверялась путем статистической обработки разности погрешностей напряжения и угловых погрешностей, полученными разными методами.

При использовании универсального регистратора-анализатора напряжений УРАН-100М класса точности 0,2 по току и напряжению и предложенной методики сходимость результатов измерений и расчетов погрешностей с результатами измерений погрешностей ТН по ГОСТ 8.216-88 не превышает:

- ТН с литой изоляцией - погрешность напряжения ± 0,22%, угловая погрешность 0.8 мин.( ± 4 мин. от значения 4 мин.).

- ТН с масляной изоляцией - погрешность напряжения ± 0,12%, угловая погрешность -4,5.+2,5 мин. (± 3,5 мин. от значения - 1 мин.).

Показано, что у некоторых ТН имеются ошибки в намотке обмоток, что приводит к отличиям действительных и расчетно-конструкторских величин витковой коррекции. У исследованных трансформаторов она составляет для погрешностей напряжения ТН с литой изоляцией ± 0,1% , с масляной изоляцией ±0,05%.

При наличии в технической документации завода-изготовителя ТН данных о фактической витковой коррекции конкретного ТН и ее учета в расчетах можно ожидать сходимости результатов погрешностей напряжения, определяемых разными методами, не превышающей 0,15%.

В работе показано, что при использовании средства измерений типа УРАН-100М возможно создание простой установки для исследования погрешности ТН при несинусоидальных режимах в сети.

Сделан вывод о незначительной погрешности испытуемого ТН при передаче высших гармонических составляющих спектра напряжения в диапазоне частот 50-2000 Гц, у исследованных ТН она не превышает 0,1%.

Выявлено, что во всех опытах гармоники приблизительно до 10-й передаются с усилением, а гармоники более высоких порядков - с ослаблением. Объяснение этому явлению может быть дано при проведении полномасштабных опытов и дополнительных исследований.

Выявлено, что для исследованных ТН погрешность в передаче гармонического фазового угла определяется угловой погрешностью ТН. При этом можно предположить, что при проведении анализа качества электрической энергии по такому показателю, как коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, возможно появление ошибок в определении виновника и определении долевого вклада отдельных потребителей-источников токов высших гармонических составляющих токов и напряжений. Особенно это касается случаев использования ТН с большими угловыми погрешностями. Так, если предположить, что некий ТН имеет угловую погрешность 20 мин., то в метриках 40-й гармоники эта погрешность возрастает в 40 раз и будет составлять 13 град.

1. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -13-е изд., испр. -М.: Наука, 1986. 544 с.

2. К Брюханов В. Проблемы внедрения в электроэнергетике ГОСТ Р 8.56396, Стандарты и качество. -М.: №11. 1999. - С. 38-40.

3. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. -2-е изд., доп. М.: Изд-во стандартов, 1975. - 336 с.

4. Вавин В. Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи / Библиотека электромонтера. Вып. 461. М.: Энергия, 1977. - 101 с.

5. Высшие гармоники в энергосистемах Японии и меры их снижения / Ха-симото Эйдзи // Денки таккай дзасии. J. Inst. Elec. Eng. Jap. 1990. 110, №7.-С. 561-566.

6. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учебное пособие для втузов. 5-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977.

7. Горский А. Н., Русин Ю. С. Анализ искажений передаваемого во вторичную обмотку трансформатора напряжения несинусоидальной формы / Электромеханика, 1991. №9. - С.98. (Известия вузов).

8. ГОСТ 1983-89. Трансформаторы напряжения: Общие технические условия СТ. СЭВ 2734-80, МЭК 44-4 (1980), МЭК 186 (1987). Введен с 01.01.1990.

9. ГОСТ 8.216-88 (CT СЭВ 5645-86). ГСП. Трансформаторы напряжения: Методика поверки. Введен с 01.01.1989.

10. ГОСТ Р 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Введен с 01.01.1999.

11. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.- 160 с.

12. Ю. Закирое Д. Г., Головкин Б. Н., Старцев А. П., Методологические подходы к комплексному решению проблем энергосбережения и экологической безопасности. Промышленная энергетика, 1997. - №5. - С.50-54.

13. Закон РФ от 27.04.1993г. №4871-1 «Об обеспечении единства измерений»

14. Зубков И. П. Проблемы поверки трансформаторов тока и напряжения в эксплуатации / Информационно-методические материалы 2-й школы-семинара «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике». М.: НЦ ЭНАС, 1998.

15. Иванов В. С., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 336 с.

16. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. - 928 с.

17. Игишев В. Д., Старцев А. П. Опыт эксплуатации и внедрения систем коммерческого учета электрической и тепловой энергии в Пермской области. Промышленная энергетика, 1998. - №7. - С. 17-19.

18. Исследование метрологических характеристик трансформаторов тока и напряжения: Отчет о НИР (заключительный) / НИИ ПО «Уралэлектро-тяжмаш». Руководитель В. М. Кибель // В02.86064-ЗВ71; ОСЯ. 127.379994. №ГРО 1860114758. Свердловск, 1987. - 34 с.

19. Копшин В. В. Определение погрешностей нагруженных трансформаторов напряжения. / Измерительная техника, 1978. №11. - С.53-54.

20. В. Левин М. И. Определение погрешностей трансформаторов напряжения / Труды МЭИ. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1953. Вып. XIII, - С. 139-143.

21. Майер В. Я., Зения. Методика определения долевых вкладов потребителя и энергоснабжающей организации в ухудшение качества электроэнергии / Электричество, 1994. №9. - С. 19-24.

22. Майер В.Я., Зения, Ткач А.Н. Методика определения вклада потребителя в значение показателей качества электроэнергии в точке общего присоединения к энергосистеме / Электричество, 1993. №10. - С.14-18.

23. Малый А. С. Выравнивание нагрузки и емкостная компенсация погрешностей трансформаторов напряжения, включенных по схеме открытого треугольника / Электрические станции, 1995. №9. - С.23-31.

24. Методика контроля и анализа качества электической энергии в электрических сетях общего назначения. Дополнение к РД 34.15.51-88 / Никифорова В. Н., Загорский Я. Т., Алексеев А. А., Бердин А. С. Москва-Екатеринбург, 1995. - 78 с.

25. МИ 2551-99. Рекомендация ГСИ. Универсальный регистратор-анализатор качества электрической энергии УРАН-ЮОМ. Методика поверки / Бердин А. С., Алексеев А. А., Старцев А. П.

26. Пирогов В. Н., Старцев А. П., Концепция системного расчетного учета электроэнергии / Промышленная энергетика, 1999. №1. - С.31-35.

27. Постановление Правительства РФ от 13.08.1997 №1013 «Об утверждении перечня товаров, подлежащих обязательной сертификации, и перечня работ и услуг, подлежащих обязательной сертификации».

28. Правила применения скидок и надбавок к тарифам за качество электроэнергии. М.: Главгосэнергонадзор РФ, 1991.

29. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп. М. .: Главгосэнергонадзор России, ЗАО «Энергосервис», 1998. -608 с.

30. Правила учета электрической энергии. Сборник основных нормативно-технических документов, действующих в области учета электроэнергии. М.: Главгосэнергонадзор России, АОЗТ «Энергосервис», 1997. С. 3-8.

31. Преображенский А. А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. М.: «Высшая школа», 1972. - 288 с.

32. Прыткое В. Т. Определение погрешностей измерительных трансформаторов в диапазоне частот 25-75 Гц/ Техническая информация. Московский энергетический институт. М., 1953. - 21 с.

33. Расулов Т. М., Быков О. Ю., Везиров О. Ю. Методика расчета погрешности измерительного трансформатора напряжения при несинусоидальном напряжении / Электротехника, 1982. №11. - С.54-56.

34. РД 34.11.333-97. Учет электрической энергии и мощности на энергообъектах. Типовая методика выполнения измерений количества электрической энергии. М.: РАО «ЕЭС России», 1997. - 44 с.

35. РД 34.11.334-97. Учет электрической энергии и мощности на энергообъектах. Типовая методика выполнения измерений электрическойобъектах. Типовая методика выполнения измерений электрической мощности. М.: РАО «ЕЭС России», 1997. - 31 с.

36. Рекомендация ГСИ. Показатели качества электрической энергии на объектах учета. Общие требования к методикам выполнения измерений. МИ 2536-99 / Дидик Ю. И., Алексеев А. А., Бердин А. С.

37. Руденко Н. А. О способах измерения спектрального состава симметричных составляющих / Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике: Тезисы докладов 3-й респ. науч,-техн.конф. -Харьков, 1988. С.47-48.

38. Сборник нормативных и методических документов по измерениям, коммерческому и техническому учету электрической энергии и мощности. М.: ЗАО «Издательство НЦ ЭНАС», 1999. - 333 с.

39. Сертификат RU.C.005.A №5737 об утверждении типа средств измерений. Приборы контроля показателей качества электрической энергии портативные ППКЭ-1-50. Per. №16024-98 от 17 ноября 1998 г.

40. Система учета электроэнергии при несинусоидальном режиме в электросети / Каджаров М. В., Насибов В. А., Расулов Т. М. // Изв. АН СССР. Сер. Физ. техн. и мат. изв. -1988. №4, 8. -С. 120-123.

41. Смирнов С. С., Коверникова Л. И. Вклад потребителя в уровни напряжения высших гармоник в узлах электрической сети / Электричество, 1996. -№1. С.58-64.

42. Теория вероятностей и математическая статистика. Ивашев-Мусатов О. С. -М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит-ры, 1979. -255 с.

43. Тищенко В. И. Трансформаторы напряжения / Информационно-методические материалы 2-ой школы-семинара «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике». М.: НЦ ЭНАС, 1998.

44. Фельдман М. Л. Нагрузочная способность трансформаторов напряжения 10(6) кВ / Электрические станции. 1995. -№7. - С.38-41.

45. Фокин Г. Г. Компенсация погрешностей измерительных трансформаторов напряжения / Информационно-методические материалы 2-ой школы-семинара «Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике». М.: НЦ ЭНАС, 1998.

46. Фокин Ю. А. Вероятностно-статистические методы в расчетах систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

47. Хаушилъд В., Мош В. Статистика для электротехников в приложении к технике высоких напряжений / Пер. с нем. Л.: Энергоатомиздат, 1989. -312 с.

48. Analys des propositions CEF pour les transfomiateurs de mesure 185 (44-1) et 186 (44-2) par rapport aux yxigencies des systems de protection moder-nes/Korponay N., Minkner R. // Rev.Gen.Elec. 1990. №4. - C.8-13. (Пер. с фр).