CC BY
110
УДК 621.316.76
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
НАПРЯЖЕНИЯ
А.И. ТЕРЕХОВА *, А.Е. УСАЧЕВ **, Ф.Ф. МУЛЛИН ***
* ОАО «Генерирующая компания» ** Казанский государственный энергетический университет
А А А
ООО «ТатАИСЭнерго»
В статье представлены результаты экспериментальных исследований метрологических характеристик трансформаторов напряжения в зависимости от величины первичного напряжения и нагрузки вторичных цепей. Предлагаются мероприятия по диагностике оборудования и выявления на ранних стадиях неисправностей оборудования на основе учета метрологических характеристик измерительных трансформаторов тока и напряжения.
Ключевые слова: электроэнергетика, измерительные трансформаторы напряжения, погрешности измерений.
Важнейшим показателем надежности системы является работа в бесперебойном надежном режиме функционирования оборудования по заданным параметрам. Для контроля работы оборудования по заданным параметрам необходим достоверный учет электроэнергии на всех участках и уровнях ее производства, передачи и потребления. Средства учета электроэнергии включают в себя измерительный комплекс, состоящий из трансформаторов тока (ТТ), трансформаторов напряжения (ТН), счетчиков электроэнергии, линии присоединения счетчика к ТТ и ТН.
Измерительные трансформаторы (ИТ), установленные на электрических станциях и в электрических сетях, подвергаются воздействию многочисленных факторов, оказывающих влияние на их характеристики.
По результатам экспериментальных исследований в работе [2] показано, что на характеристики ТТ наибольшее воздействие оказывает значение первичного тока и мощности вторичной нагрузки.
Основными внешними факторами сети, влияющими на погрешности ТН, являются мощность нагрузки во вторичной цепи Б, ^ф нагрузки и первичное напряжение
В данной статье рассматривается зависимость погрешностей ТН от приложенного напряжения и от мощности, отдаваемой во вторичную цепь.
Для анализа влияния внешних факторов на характеристики ТН был проведен эксперимент поверки 8 ТН типа НАМИ-10 разных коэффициентов трансформации классом точности 0,5.
Погрешности ТН определялись дифференциально-нулевым методом с использованием образцового ТН класса точности 0,02 согласно методике поверки [1]. Схема для проведения поверки показана на рис. 1. Эксперименты проводились на месте эксплуатации оборудования при соблюдении нормативных условий температуры и влажности окружающего воздуха.
© А. И. Терехова, А.Е. Усачев, Ф. Ф. Муллин Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
Рис. 1. Схема поверки трансформатора напряжения: О - источник высокого напряжения; ТУо -эталонный трансформатор; ТУх - поверяемый трансформатор; Ш - нагрузочное устройство эталонного трансформатора; В2 - нагрузочное устройство поверяемого трансформатора;
РУА - прибор сравнения КНТ-03
Поверка на пригодность осуществлялась сопоставлением результатов измерения первичных напряжений с помощью поверяемого ТН и эталонного ТН. Погрешности ТН по стандартной методике [1] определяются при значениях первичного напряжения, равных 80, 100, 120% номинального значения, при значениях полной мощности, отдаваемой поверяемым трансформатором в цепь нагрузки вторичных обмоток, равных 0,25 ^ном и ^ном (при номинальном коэффициенте мощности), для каждого значения трансформатора.
В отличие от стандартной методики поверки, эксперименты для одного ТН проводились при большем числе значений первичного напряжения: 80, 90, 100, 110, 120 % номинального значения, при трёх значениях мощности, отдаваемой во вторичную цепь: 0,25 £НОМ, 0,5 £НОМ, £НОМ. По результатам эксперимента на рис. 2 показаны зависимости погрешностей напряжения и угловых погрешностей ТН от первичного напряжения при разных значениях вторичной нагрузки.
0,8 1,0 1,2 0.8 1,0 1,2 Первичное напряжение, (У/ином) Первичное напряжение, (и/(Лном)
а) б)
Рис. 2. Зависимость погрешности напряжения (а) и угловой погрешности (б) ТН НАМИ-10 от первичного напряжения, при разных значениях мощности вторичной нагрузки
По графикам (рис. 2) видно, что зависимость погрешностей от первичного напряжения носит линейный характер. При изменении первичного напряжения погрешность напряжения и угловая погрешность ТН меняются крайне незначительно. При увеличении мощности нагрузки во вторичной цепи
погрешность напряжения ТН смещается в сторону отрицательных значений. Угловая погрешность при увеличении мощности нагрузки, наоборот, смещается в область положительных значений. При мощности нагрузки, равной 0,5 ^ном , значения погрешностей ТН находятся в диапазоне между значениями погрешностей ТН при мощности нагрузки 0,25 £ном и £ ном . Зависимость погрешности напряжения ТН от мощности нагрузки вторичных цепей является линейной, по крайней мере, в диапазоне нагрузок 0,25 + 1 £НОМ.
Из вышеизложенного следует, что проводить проверку по дополнительным значениям напряжения и вторичной нагрузки не имеет особого смысла. Для дальнейшего анализа эксперименты по определению погрешностей ТН проводились по стандартной методике поверки.
На рис. 3-6 представлены графики погрешностей 8 поверенных ТН типа НАМИ-10 при мощности нагрузки 0,25 £НОМ и £НОМ для фазы А (фА) и фазы В (ф.В).
Рис. 3. Зависимость погрешности напряжения фазы А восьми ТН НАМИ-10 от первичного напряжения при мощности вторичной нагрузки 0,25£НОМ (а) и £НОМ (б). Цифрами обозначены
номера ТН
а) б)
Рис. 4. Зависимость погрешности напряжения 8 ТН НАМИ-10 (фаза В) от первичного напряжения, при вторичной нагрузке 0,25£НОМ (а) и £НОМ (б). Обозначения ТН как на рис. 3
а) б)
Рис. 5. Зависимость угловой погрешности 8 ТН НАМИ-10 (фаза А) от первичного напряжения, при вторичной нагрузке 0,25 £НОМ (а) и £НОМ (б)
а) б)
Рис. 6. Зависимость угловой погрешности 8 ТН НАМИ-10 (фаза В) от первичного напряжения, при вторичной нагрузке 0,25 £ном (а) и £ном (б)
По графикам видно, что при первичном напряжении от 80 до 120 % от номинального напряжения погрешность напряжения любого ТН не выходит за границы диапазона ± 0,5%, и угловая погрешность - ± 20 мин., т.е. находятся в пределах класса точности 0,5. Реальная погрешность отдельного ТН индивидуальна для каждого трансформатора и существенно меньше заявленного класса точности 0,5. Для всей совокупности исследованных ТН при различных нагрузках вторичных цепей разброс погрешностей соответствует классу 0,5.
На рис. 3 представлены графики погрешностей напряжения возьми ТН ф.А при мощности нагрузки 0,25 £ ном , расположенных на разных энергообъектах с различными условиями эксплуатации и внешними влияющими величинами. Погрешности напряжения незначительно отличаются для ТН-5,6,7,8, расположенных на ПС Казанских электросетей, и для ТН-2,3, расположенных на ПС Приволжских электросетей. ТН-1, ТН-4 расположены на других энергообъектах и значения их погрешностей отличаются от значений погрешностей первых двух групп.
При нагрузке, равной номинальной мощности, погрешности стали более отрицательными, но закономерности форм графиков погрешностей 8 ТН остались, как и при мощности нагрузки, равной 0,25 £ном .
Но для фазы В тех же трансформаторов (рис. 4) такая закономерность не наблюдается. При мощности нагрузки 0,25 £НОМ графики погрешностей ТН-1, 4, 5, 6, 7, 8 практически совпадают, хотя данные ТН располагаются на разных энергообъектах и имеют разный коэффициент трансформации. А при мощности нагрузки, равной номинальной, погрешности для ТН-4, 5, 6, 7, 8 отличаются незначительно.
Аналогичную зависимость погрешностей ТН можно наблюдать и для угловых погрешностей ТН-5 ■ 8 на рис. 5 для ф.А при 0,25 £ном . Графики угловых погрешностей практически одинаковые и при изменении первичного напряжения меняются крайне незначительно (в среднем на 1-2 мин.). Также наблюдаются примерно одинаковые (с расхождением не более 2 мин.) графики угловых погрешностей для ТН-3, 4 с одинаковым коэффициентом трансформации мощности и номинальной мощностью нагрузки.
По графикам рис. 3-6 видно, что погрешности напряжения для ф.А и ф.В одного ТН имеют значительное отличие в зависимости от первичного напряжения. Расхождения значений погрешностей уменьшаются у ТН-3,4,5,6,7,8 при увеличении первичного напряжения, а у ТН-1,2 расхождения увеличиваются. Незначительные расхождения погрешностей напряжения наблюдаются у ТН-4 и у ТН-2. Но трансформаторы напряжения с таким же коэффициентом трансформации и номинальной мощностью нагрузки, как у ТН-2, ТН-4 имеют существенное расхождение значений погрешностей напряжения между фазами А и В.
Отличие угловых погрешностей между фазами для каждого ТН индивидуальны и имеют разные зависимости. Примерно одинаковый вид графиков угловых погрешностей имеют ТН-5 и ТН-7, а также ТН-6 и ТН-8. У ТН-2 графики угловых погрешностей совпадают для ф.А при 0,25 £НОМ и ф.В при £НОМ, а ф.А при £ ном и ф.В при £НОМ имеют значительное отклонение на 3-4 мин. Для ТН-3 графики угловых погрешностей ф.А, ф.В при мощности нагрузки 0,25 £НОМи £НОМ практически совпадают.
Заметим тот факт, что ТН типа НАМИ-10 (трансформаторы напряжения трехфазные антирезонансные на напряжение 6 и 10 кВ) представляют собой единую конструкцию, и расхождения погрешностей между фазами не должны наблюдаться. Расхождения погрешностей между фазами ТН приводит к несимметрии фаз при симметричной нагрузке. Поэтому необходимо подбирать ТН для каждого узла учета электроэнергии по протоколам поверки со сходными (близкими друг к другу) индивидуальными погрешностями. Но на практике встречаются случаи, когда для одного трехфазного узла учета могут использоваться группы однофазных ТН (каскадного типа) разных типов. Погрешность напряжения ТН в этом случае при номинальном напряжении и минимальной мощности вторичной нагрузки отличается на 0,21 %, а при номинальной мощности - на 0,22 %.
Из анализа рис. 3-6 можно сделать вывод, что на погрешности ТН оказывают влияние первичное напряжение, мощность нагрузки, индивидуальные характеристики ТН. Также погрешность ТН зависит от внешних факторов
окружающей среды и условий эксплуатации ТН, но данная зависимость выходит за рамки данной статьи.
По результатам экспериментальных исследований можно утверждать, что погрешность ИТ, кроме случайной составляющей, присущей всему классу точности 0,5, имеет и систематический характер, индивидуальный для каждого отдельного ТН. Погрешности трансформаторов напряжения даже одного типа и одного исполнения носят индивидуальный характер и имеют значительный разброс значений.
Погрешности трансформаторов напряжения одного типа, коэффициента трансформации, номинальной мощности нагрузки, срока эксплуатации, условиями эксплуатации отличаются между собой. При минимальной и номинальной мощности вторичной нагрузки при номинальном напряжении погрешность напряжения ТН может отличаться на 0,42 %. Погрешность напряжения ТН при минимальной мощности вторичной нагрузки может отличаться на 0,18 %, а при номинальной - на 0,12 %. При увеличении нагрузки погрешность напряжения уменьшается, при уменьшении нагрузки - увеличивается. Таким образом, погрешность напряжения можно регулировать величиной нагрузки.
Угловые погрешности различных ТН одного типа и исполнения отличаются незначительно, но индивидуальны и имеют разные зависимости.
Разброс систематических погрешностей ИТ объясняется конструктивными особенностями ИТ.
Таким образом, на этапе проектирования и монтажа трехфазного узла учета электроэнергии следует устанавливать группу однофазных ТН (каскадного типа) не только одного типа, коэффициента трансформации, но и проводить сверку индивидуальных характеристик ТН по протоколам поверок, с подбором трансформаторов с близкими друг другу индивидуальными погрешностями. Также следует внедрять новые счетчики электроэнергии, у которых на программном уровне можно изменять коэффициент трансформации ТН по результатам протоколов поверок.
Необходимо также при периодических поверках ИТ обращать внимание на значения погрешностей всех фаз одного трансформатора, а при значительном отклонении характеристик фаз проводить дополнительную проверку данного трансформатора на наличие неисправности (оседание металлической крошки в масле, частичные разряды в масле, старение изоляции и т.д.). Затраты, произведенные в результате сверки индивидуальных характеристик ИТ, окупятся в кратчайший срок, так как это позволит на ранних стадиях выявлять неисправность и нарушение работоспособности ИТ и правильно вести режимы по данному узлу учета электроэнергии.
Выводы
1. По результатам экспериментальных исследований показано, что погрешности ТН индивидуальны для каждого трансформатора и значительно меньше заявленного класса точности 0,5. Для всей совокупности исследованных ТН при различных нагрузках вторичных цепей разброс погрешностей действительно соответствует классу 0,5.
2. При первичных напряжениях в диапазоне (0,8^1,2) и ном погрешности можно аппроксимировать линейной зависимостью от величины первичного напряжения.
3. Зависимость погрешности ТН от нагрузки во вторичной цепи имеет линейный характер, а величина погрешности по напряжению смещается в сторону отрицательных значений.
4. При комплектовании группы однофазных трансформаторов напряжения следует учитывать протоколы метрологических поверок ТН и подбирать трансформаторы со сходными (близкими друг к другу) индивидуальными погрешностями.
Summary
In article are presented results of the experimental studies of the metrology features of voltage transformers depending on the values of the primary voltage and loads of the secondary chains. The actions are offered on diagnostics of the equipment and discovery on early stages of the faults of the equipment on base of the account of the metrology features voltage and current transformers.
Key words: electro energy, voltage transformers, inaccuracy measurements.
Литература
1. ГОСТ 8.216-88. Государственная система обеспечения единства измерений. Трансформаторы напряжения. Методика поверки. М.: Изд-во стандартов,1988.
2. МИ 2845-2003. Измерительные трансформаторы напряжения 6/V3 ... 35 кВ. Методика периодической поверки на месте эксплуатации. М: ВНИИМС, 2003.
3. Терехова А.И. Совершенствование методики учета электроэнергии в энергетических системах России. - Казань: КГЭУ, 2006.
4. Трансформатор напряжения антирезонансный трехфазный НАМИ-10. Руководство по эксплуатации и паспорт. ИРФУ .671241.015 РЭ. М: ВирКом Энерго, 2007.
5. Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.34.004.A №22811 трансформатора напряжения НАМИ-10.-М: Утвержден Федеральным агентством технического регулирования и метрологии 18.01.2006. Сертификат действителен до 01.01.2011.
6. Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.34.001.A №35284 установок поверочных трехфазных высоковольтных УПТВ-3-10 .-М: Утвержден Федеральным агентством технического регулирования и метрологии 06.06.2009. Сертификат действителен до 01.01.2010.
7. Дымков А.М. и др. Трансформаторы напряжения / 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1975.
8. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. М.: Наука, 1983.
Поступила в редакцию 11 марта 2010 г.
Терехова Анастасия Игоревна - инженер первой категории Отдела сопровождения рынка ОАО «Генерирующая компания». Тел.: 8 (843) 291-83-62; 8-905-3130026.
Усачев Александр Евгеньевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Электрические станции» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-70.
Муллин Фанис Фагимович - канд. техн. наук, заместитель начальника службы АСКУЭ ООО «ТатАИСЭнерго». Тел.: 8 (843) 291-81-23.
