CC BY
17
УДК 621.317.727.1 doi:10.21685/2307-4205-2021-4-2
МАСШТАБНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
А. С. Ильин1, И. А. Карчев2, А. А. Большакова3, В. П. Перевертов4
1 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1 2' 3 Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов, Пенза, Россия 4 Самарский государственный университет путей сообщения, Самара, Россия 1 aalexeiil@mail.ru, 2' 3 npk4p@niiemp.ru, 4 vperevertov@yandex.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Актуальность применения информационно-измерительных систем измерений высоких напряжений определяется постоянной модернизацией и совершенствованием как энергетического оборудования, так и различных областей науки и техники. Повсеместное применение высоковольтных информационно-измерительных систем вызывает необходимость уделить особое внимание масштабным преобразователям высокого напряжения в их составе. Целью работы является ознакомление с современными отечественными делителями напряжений высоковольтными фирмы АО «НИИЭМП», а также описание областей их применения. Материалы и методы. Метод масштабного преобразования. Измерение напряжения делителем напряжения. Результаты. Приведен обзор делителей напряжения высоковольтных, представлены результаты их работы и сферы применения. Выводы. Применение отечественных делителей напряжений в информационно-измерительных системах с рабочими напряжениями до 100 кВ и более позволит увеличить в современное время темпы развития энергетики, науки и техники.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, модернизация, масштабные преобразователи, высокое напряжение, делитель напряжения, импульсный сигнал, измерение
Для цитирования: Ильин А. С., Карчев И. А., Большакова А. А., Перевертов В. П. Масштабные преобразователи высокого напряжения для информационно-измерительных систем // Надежность и качество сложных систем. 2021. № 4. С. 13-19. doi:10.21685/2307-4205-2021-4-2
SCALED HIGH VOLTAGE CONVERTERS FOR INFORMATION-MEASURING SYSTEMS
A.S. Il'in1, I.A. Karchev2, A.A. Bol'shakova3, V.P. Perevertov4
1 Penza State University, Penza, Russia 1 2' 3 Research Institute of Electronic and Mechanical Devices, Penza, Russia 4 Samara State University of Railway Transport, Samara, Russia 1 aalexeiil@mail.ru, 2' 3 npk4p@niiemp.ru, 4 vperevertov@yandex.ru
Abstract. Background. The relevance of the use of information-measuring systems for measuring high voltages is determined by the constant modernization and improvement of both power equipment and various fields of science and technology. The widespread use of high-voltage information-measuring systems makes it necessary to pay special attention to scaled high-voltage converters in their composition. The purpose of the work is to familiarize with modern domestic high-voltage voltage dividers of the company JSC "NIIEMP", as well as a description of the scope of their application. Materials and methods. Scaled transformation method. Voltage measurement with a voltage divider. Results. An overview of voltage dividers of high-voltage is given, the results of their operation and scope of application are presented. Conclusions. The use of domestic voltage dividers in information-measuring systems with operating voltages up to 100 kV and more will increase the pace of development of science and technology in modern times.
Keywords: information-measuring system, modernization, large-scale converters, high voltage, voltage divider, pulse signal, measurement
For citation: Ilin A.S., Karchev I.A., Bolshakova A.A., Perevertov V.P. Scaled high voltage converters for information-measuring systems. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh sistem = Reliability and quality of complex systems. 2021;(4): 13-19. (In Russ.). doi:10.21685/2307-4205-2021-4-2
© Ильин А. С., Карчев И. А., Большакова А. А., Перевертов В. П., 2021. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
В соответствии с программой о развитии электроэнергетики до 2035 г., предусматривающей модернизацию действующих и ввод в эксплуатацию новых объектов электроэнергетики, оснащенных информационно-измерительными системами (ИИС) измерений высоких напряжений, возникает необходимость в усовершенствовании и обновлении масштабных преобразователей высоких напряжений для контроля, обслуживания и наладки энергетического оборудования. Создание и широкое применение в последние годы новых высоковольтных ИИС, в том числе ИИС поверки кило-вольтметров, вызвало настоятельную необходимость в совершенствовании и обновлении их высоковольтной части, в большинстве случаев, представляющих собой делитель напряжения.
АО «НИИЭМП» разрабатывает и производит делители напряжений высоковольтные (ДНВ), предназначенные для преобразования высоких напряжений до уровня, безопасного для последующей передачи, обработки и хранения измерительного сигнала. ДНВ могут использоваться для контроля режимов работы цепей постоянного (до 140 кВ), переменного (до 140 кВ) и импульсного (до 200 кВ) токов электротехнических и радиотехнических ИИС [1].
Принцип работы делителя основан на свойствах пассивных линейных электрических цепей, изменяя амплитуду напряжения в любой точке электрической цепи пропорционально амплитуде входного сигнала.
Согласно теории делителей напряжения, в омических делителях вследствие малых зарядных токов, протекающих по частичным емкостям по отношению к земле в нижней части делителя, распределение напряжения получается нелинейным и частотно-зависимым. Неравномерность распределения напряжения устраняется увеличением параллельных емкостей. Это осуществляется подключением конденсаторов параллельно омическим элементам делителя [2].
ДНВ имеет возможность масштабировать напряжения в широкой полосе частот. Это достигается одновременным подключением демпферных резисторов параллельно и последовательно с конденсаторами. Вместе с резисторами Я1 и Я2 конденсаторы С1 и С2 образуют последовательный ем-костно-омический делитель (рис. 1). Параллельно этому делителю включены резисторы Я3 и Я4, обеспечивающие компенсацию стекающего заряда с емкости С2 через входное сопротивление осциллографа при регистрации длительных или постоянных напряжений [2].
Схема замещения емкостно-омического делителя напряжения представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема замещения емкостно-омического делителя напряжения типа ДНВ: ивх - входное напряжение ДНВ; ивых - выходное напряжение ДНВ; Я1 - сопротивление верхнего плеча; С1 - емкость верхнего плеча; Я2 - сопротивление нижнего плеча; С2 - емкость нижнего плеча; Я3 - демпферное сопротивление верхнего плеча; Я4 - демпферное сопротивление нижнего плеча
Делитель дает возможность учитывать паразитные сопротивления и емкости утечки в широком диапазоне частот. Условие частотной компенсации по КД содержит формула
C1R1 = C2R2, (1)
где R1 - сопротивление верхнего плеча; С1 - емкость верхнего плеча; R2 - сопротивление нижнего плеча; С2 - емкость нижнего плеча.
Такой делитель при подборе определенных параметров передает с малой погрешностью переменное, постоянное и импульсное напряжения.
Значение входного напряжения ДНВ определяется по формуле
Цвх = Кд • Ццых, (2)
где Кд - коэффициент деления ДНВ вместе с кабелем; ивых - напряжение, измеренное на выходе соединительного кабеля.
Конструктивно ДНВ выполнен из высоковольтного электрода, основания и тонкостенного диэлектрического цилиндра.
Верхнее плечо, к которому прикладывается высокое напряжение, расположено внутри диэлектрического цилиндра. Нижнее плечо, на котором напряжение уменьшено по отношению к входному, расположено внутри основания.
На внешней поверхности основания делителя установлено приборное гнездо для подключения соединительного кабеля. Также на основании имеется зажим защитного заземления [3].
На рис. 2 представлен внешний вид делителей типа ДНВ производства АО «НИИЭМП».
Рис. 2. Внешний вид делителей напряжения типа ДНВ производства АО «НИИЭМП»
Делители обеспечивают защиту от поражения электрическим током по классу I по ГОСТ 12.2.007.0-751. Степень защиты оболочки делителя по ГОСТ 14254-96 1Р40БН. Категория монтажа I, степень загрязнения 12.
1 ГОСТ 12.2.007.0-75. Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности.
2 ГОСТ 14254-96. 1Р40БН Степени защиты, обеспечиваемые оболочками.
Делители ДНВ имеют два варианта исполнения: ДНВ А - диапазон рабочих частот (0 - 1000 Гц) и ДНВ И - диапазон (50 до 20 106 Гц).
Для работы ДНВ А используется кабель соединительный, который состоит из высокочастотного кабеля типа ЯО-58, на концах которого установлены штекеры для подключения к ДНВ и СИ (рис. 3,а). Для работы с ДНВ И применяется кабель соединительный, состоящий из высокочастотного кабеля типа ЯО-214/и и фильтра низких частот (рис. 3,6). Для соединения с делителем на одном из концов высокочастотного кабеля расположен штекер. Фильтр, содержащий Я, Ь, С компоненты, размещен в металлическом корпусе, на одной из сторон которого расположен приборный штекер для подключения к СИ или осциллографу [3].
а) б)
Рис. 3. Внешний вид соединительного кабеля: а - кабель соединительный для ДНВ А: 1 - кабель коаксиальный; 2 - штекер для подключения к ДНВ и СИ; б - кабель соединительный для ДНВ И: 1 - кабель коаксиальный; 2 - фильтр низких частот; 3 - штекер для подключения к ДНВ; 4 - приборный штекер для подключения к СИ
Зависимость нормированного входного напряжения делителей от частоты приведена на рис. 4.
а) б)
Рис. 4. Зависимость нормированного входного напряжения йу от частоты / а - делителей типа ДНВ-2И и ДНВ-20И;
б - делителей типа ДНВИ-40, ДНВ-80И и ДНВ-140И
Сравнение форм осциллограмм импульсных сигналов на выходе ДНВ и зарубежных аналогов подробно представлено в статье «Высоковольтные широкополосные делители напряжений», опубликованной в материалах IV общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)» [4].
В табл. 1 приведены основные метрологические характеристики делителей напряжений типа
ДНВ.
Таблица 1
Метрологические характеристики
Метрологические характеристики Тип делителя
ДНВ-2И ДНВ-20И ДНВИ-40 ДНВ-80А ДНВ-80И ДНВ-140И
Диапазон входных напряжений постоянного тока, кВ 0,002-2,4 1-18 1-40 1-80 1-80 14-140
Диапазон входных напряжений переменного тока частотой 50 Гц, кВ 0,014-1,7 1-12 1-30 1-60 1-60 10-100
Основная относительная погрешность преобразования и БС, % ±0,1 ±0,1 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±1
Основная относительная погрешность преобразования И АС частотой 50 Гц, % ±0,5 ±0,5 ±1 ±1 ±1 ±1
Коэффициент деления 200 1500 2500 5000 5000 5000
Диапазон рабочих частот, Гц 0-5 106 0-5 106 0-20-106 0-103 0-12106 50-8 106
Время нарастания переходной характеристики, нс, не более 70 70 17 - 30 50
Амплитуда импульса, кВ, не более 14 60 100 - 160 230
Делители напряжения типа ДНВ находят применение в ИИС измерений высоких напряжений объектов электроэнергетики, а также в различных областях науки и техники. Потребность оснащения ИИС данными масштабными преобразователями высоких напряжений показывает разнообразие областей применения ДНВ производства АО «НИИЭМП» (рис. 5).
Рис. 5. Применение делителей напряжений типа ДНВ производства АО «НИИЭМП»: а - цифровые киловольтметры; б - ИИС поверки киловольтметров; в - высоковольтный широкополосный комплект КМБТ; г - СТАТКОМ-1 подстанции 220 кВ «Могоча» ПАО «ФСК ЕЭС»
Так, делители напряжений типа ДНВ нашли применение в цифровых киловольтметрах СКВ, предназначенных для измерений напряжений постоянного тока, действующих и амплитудных значений напряжений переменного тока. Киловольтметры применяются для поверки измерительных трансформаторов напряжения, контроля и измерения сигналов при производстве и учете электроэнергии [5]. Кроме того, цифровые киловольтметры используются в передвижных электролабораториях [6].
ДНВ является образцовым масштабным преобразователем высокого напряжения постоянного тока в образцовом измерительном канале ИИС поверки киловольтметров УПК-30ПТ. Она предназначена для воспроизведений и измерений напряжений постоянного тока. Используется при проведении испытаний и исследований, при проведении поверки киловольтметров в лабораторных условиях в организациях государственных и ведомственных метрологических служб [7].
ЗАО «ИТЦ Континуум» предлагает высоковольтный широкополосный комплекс КМБТ, низковольтный блок которого сопряжен с делителями напряжения типа ДНВ. Комплекс предназначен для измерения постоянного/переменного/ импульсного напряжения до 100 кВ для лабораторных или промышленных применений. Применим для электроэнергетики, прикладной физики, при тестировании электромедицинского (рентгеновского) и коммуникационного оборудования [8].
В ходе проведения модернизации подстанции 220 кВ «Могоча» ПАО «ФСК ЕЭС» - магистральные электрические сети (МЭС) Сибири, делители напряжений типа ДНВ вошли в состав оборудования СТАТКОМ-1 [9].
Заключение
Делители ДНВ можно рекомендовать для измерения напряжений постоянного (до 140 кВ), переменного (до 100 кВ) и импульсного (до 200 кВ) токов.
Применение данных делителей в информационно-измерительных системах с рабочими напряжениями до 100 кВ и более в широком спектре научно-технических областей позволит увеличить в современное время темпы модернизации и развития энергетики, науки и техники.
Список литературы
1. АО «НИИЭМП». URL: https://niiemp.ru
2. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. М. : Энергоатомиздат, 1983.
3. Делители напряжения высоковольтные. Технические условия. РУКЮ.411522.020 ТУ. URL: https://propribory.ru
4. Воронов А. П., Большакова А. А., Карчев И. А. Высоковольтные широкополосные делители напряжений // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012) : материалы IV Общерос. науч.-техн. конф. (г. Омск, 10-13 октября 2012 г.). Омск : Полиграфический центр КАН, 2012. С. 228-232.
5. Киловольтметры цифровые СКВ. Руководство по эксплуатации. РУКЮ 411116.001 РЭ. URL: https://www.terra-kip.ru
6. ПО ЭНЕРГОСПЕЦТЕХНИКА. Передвижные электролаборатории. URL: https://esteh.nt-rt.ru
7. Ильин А. С., Кострикина И. А., Воронов А. П., Плаксунов Р. Ф. Установка для поверки киловольтметров УПК-30ПТ // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. № 4 (34). С. 44-50. doi: 10.21685/2307-5538-2020-4-5
8. ЗАО «ИТЦ Континуум». URL: http:// www.ec-continuum.ru
9. В Забайкалье начались испытания рабочим напряжением оборудования СТАТКОМ // Новости - отрасли ТЭК. URL: http://www.energyland.info/analitic-show-119895
References
1. AO «NIIEMP». Available at: https://niiemp.ru
2. Shvab A. Izmereniya na vysokom napryazhenii = Measurements at high voltage. Moscow: Energoatomizdat, 1983. (In Russ.)
3. Deliteli napryazheniya vysokovol'tnye. Tekhnicheskie usloviya. RUKYu.411522.020 TU = Voltage dividers are high-voltage. Technical conditions. ARM.411522.020 TU. (In Russ.). Available at: https://propribory.ru
4. Voronov A.P., Bol'shakova A.A., Karchev I.A. High-voltage broadband voltage dividers. Obmen opytom v ob-lasti sozdaniya sverkhshirokopolosnykh radioelektronnykh sistem (SVCh 2012): materialy IV Obshcheros. nauch.-tekhn. konf. (g. Omsk, 10-13 oktyabrya 2012 g.) = Exchange of experience in the field of creation of ul-
tra-wideband radioelectronic systems (microwave 2012) : materials of the IV All-Russian Scientific and Technical conf. (Omsk, October 10-13, 2012). Omsk: Poligraficheskiy tsentr KAN, 2012:228-232. (In Russ.)
5. Kilovol'tmetry tsifrovye SKV. Rukovodstvo po ekspluatatsii. RUKYu 411116.001 RE = Kilovoltmeters digital SLE. Operation manual. ARM411116.001 RE. (In Russ.). Available at: https://www.terra-kip.ru
6. PO ENERGOSPETsTEKhNIKA. Peredvizhnye elektrolaboratorii = PA ENERGOSPECTECHNIKA. Mobile electrical laboratories. (In Russ.). Available at: https://esteh.nt-rt.ru
7. Il'in A.S., Kostrikina I.A., Voronov A.P., Plaksunov R.F. Installation for verification of kilovoltmeters UPK-30PT. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol' = Measurement. Monitoring. Management. Control. 2020;(4):44-50. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-5538-2020-4-5
8. ZAO «ITTs Kontinuum». Available at: http:// www.ec-continuum.ru
9. In Transbaikalia, tests of the operating voltage of the STATCOM equipment began. Novosti - otrasli TEK = News - fuel and energy industries. (In Russ.). Available at: http://www.energyland.info/analitic-show-119895
Информация об авторах | Information about the authors
Алексей Сергеевич Ильин
аспирант,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40); инженер-электроник, Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) E -mail: aalexeiil@mail.ru
Иван Анатольевич Карчев
начальник отдела измерительных приборов, Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) E-mail: npk4p@niiemp.ru
Альбина Александровна Большакова
руководитель группы электрических измерений, Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) E-mail: npk4p@niiemp.ru
Валерий Петрович Перевертов
кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры наземных транспортно-технологических средств, Самарский государственный университет путей сообщения
(Россия, г. Самара, ул. Свободы, 2 В) E-mail: vperevertov@yandex.ru
Aleksey S. Ilin
Рostgraduate student,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia);
electronics engineer,
Scientific and Research Institute
of Electronic Mechanic Instruments
(44 Karakozova street, Penza, Russia)
Ivan A. Karchev
Head of the measuring instruments department, Scientific Research Institute of Electro-Mechanical Devices (44 Karakozova street, Penza, Russia)
Albina A. Bolshakova
Electrical measurement team leader, Scientific Research Institute of Electro-Mechanical Devices (44 Karakozova street, Penza, Russia)
Valeriy P. Perevertov
Candidate of technical sciences, associate professor, professor of the sub-department of ground transportation and technology tools, Samara State University of Communications (2 V Svobody street, Samara, Russia)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию/Received 02.09.2021 Поступила после рецензирования/Revised 15.10.2021 Принята к публикации/Accepted 09.11.2021
