 |
Марка • Оборудование
ОМИКРОН
Новый подход к калибровке трансформаторов напряжения на месте эксплуатации
 Открыть в формате PDF
Флориан Предл,
Михаэль Крюгер, компания OMICRON (Австрия)
Михаэль Фрайбург, Дортмундский технический университет (Германия)
В определенных ситуациях трансформаторы напряжения нуждаются в калибровке (поверке) в условиях эксплуатации. Классы точности для защитных и измерительных ТН различны и определяются максимальной погрешностью коэффициента (амплитудой) и угла (фазы) между векторами первичного и вторичного напряжения.
В предлагаемой статье дано краткое описание методики и измерительных процедур, позволяющих на месте определить класс точности традиционных ТН.
Трансформатор напряжения (ТН), откалиброванный однажды в лаборатории производителя или эксплуатирующей организации, как правило, не нуждается в повторной калибровке в течение всего срока службы. Однако в некоторых случаях, например при реконструкции ОРУ, класс точности ТН необходимо подтвердить в ходе лабораторных испытаний или комплексных измерений на месте эксплуатации.
Точность ТН зависит от индуктивности рассеяния, сопротивления обмотки, коэффициента трансформации и тока возбуждения при частоте питающей сети. Повреждение сердечника, деформация обмоток и общее старение могут изменить погрешность ТН. Кроме того, измерение на месте эксплуатации характеристик возбуждения ТН может представлять интерес для анализа феррорезонанса или создания программ моделирования.
ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ ТН
Комплекс международных стандартов (IEC, IEEE, ANSI) определяет точность и ее пределы для традиционных ТН: индуктивных (ИТН) [1, 3, 5] и емкостных (ЕТН) [2, 4, 5, 6]. Согласно этим стандартам ТН должен соответствовать требованиям к точности в определенном количестве рабочих точек.
Для измерительных обмоток ТН должен работать в своем классе точности в диапазоне 80–120% номинального напряжения первичной обмотки и 25–100% номинальной вторичной нагрузки. Для обмоток классов 0,1 и 0,2, с номинальной нагрузкой 10 ВА или меньше, погрешность коэффициента и фазовые сдвиги определены даже для мощности 0 ВА при разомкнутой цепи.
У обмотки для подключения устройств релейной защиты погрешность коэффициента трансформации и фазовый сдвиг должны соответствовать классу ТН в диапазоне от 2 до 100% · Fu номинального напряжения первичной обмотки, где Fu – коэффициент и может составлять до 1,9 номинального напряжения.
Диапазон нагрузок варьируется от 25 до 100% от номинальной нагрузки.
Кроме того, для ТН, имеющих более одной вторичной обмотки, необходима проверка класса точности, когда другие обмотки работают и в режиме холостого хода (0 ВА), и в режиме номинальной нагрузки.
ИСПЫТАНИЕ ТН НА МЕСТЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Ранее точное испытание ТН на месте эксплуатации было непростой задачей, требующей больших финансовых и временных затрат. Необходимы были сложные системы, включая источник высокого напряжения, образцовый ТН, набор стандартных нагрузок, измерительные мосты и т. д. Менее масштабные решения не обеспечивали необходимую точность измерения или не позволяли учесть различные нагрузки. Поэтому компания OMICRON разработала новый способ испытания ТН.
Работа анализатора VOTANO 100 (рис. 1) основана на построении модели ТН. Моделирование позволяет вычислять класс точности путем применения схемы Меллингера-Гевеке. Для реализации этого метода необходимо знание параметров эквивалентной схемы замещения.
Рис. 1. VOTANO 100 – небольшой легкий анализатор ТН
Параметры определяются при помощи электрических измерений со стороны низкого и высокого напряжения ТН. Для измерения применяются низкие частоты, что позволяет использовать в процессе испытаний низкую мощность и низкие напряжения.
Для надлежащего применения метода моделирования необходимо определить следующие характеристики ТН:
- реактивное сопротивление утечки первичной и вторичной обмотки (вторичные потери рассеяния);
- сопротивление первичной и вторичной обмотки (вторичные потери рассеяния);
- потери на возбуждение (потери в стальном сердечнике).
На рис. 2 показана эквивалентная схема цепи ИТН с пятью вторичными обмотками, на рис. 3 – эквивалентная схема цепи ЕТН с пятью вторичными обмотками. Емкостный делитель состоит из конденсаторов C1 и C2. По сравнению с эквивалентной схемой цепи ИТН, эквивалентная схема цепи ЕТН имеет дополнительные параметры: X'c1(импеданс верхнего конденсатора конденсаторной колонны), X''c2 (импеданс нижнего конденсатора конденсаторной колонны) и X''c (импеданс компенсирующего реактивного сопротивления).
Рис. 2. Эквивалентная схема цепи ИТН
 |
Up'' – первичное напряжение;
Uc – напряжение на сердечнике (ЭДС – электродвижущая сила);
Us1 – вторичное напряжение на обмотке 1a–1n;
Ip'' – первичный ток;
Iexc – ток возбуждения;
Ib1 – ток нагрузки на обмотке 1a–1n;
Ib2''–Ib5'' – ток нагрузки на обмотках xa–1n;
Rp'' – сопротивление первичной обмотки;
Xp'' – реактивное сопротивление утечки первичной обмотки;
R1 – сопротивление вторичной обмотки 1a–1n;
R2''–R5'' – сопротивление обмоток xa–1n;
X1 – реактивное сопротивление утечки вторичной обмотки 1a–1n;
X2''–X5'' – реактивное сопротивление утечки обмоток xa–1n;
Xm – индуктивность сердечника;
Rm – потери сердечника на намагничивание |
Рис. 3. Эквивалентная схема цепи ЕТН
Процедура измерения с помощью VOTANO 100
Для определения отдельных видов потерь необходимо провести несколько испытаний, поэтому с помощью VOTANO 100 необходимо измерить:
- импедансы в режиме КЗ;
- сопротивление вторичных обмоток;
- импеданс вторичной цепи в режиме КЗ (если число вторичных обмоток более одной);
- кривую намагничивания и разделений частотнозависимых потерь в сердечнике;
- витковый коэффициент трансформации.
При использовании VOTANO 100 все эти измерения выполняются за один испытательный цикл, что занимает менее 20 минут. Полученные данные используются для определения элементов модели и вычисления точности ТН. Результаты испытаний автоматически сравниваются с выбранным стандартом IEC или IEEE, после чего оценивается класс точности.
Измерение импедансов в режиме КЗ выполняется с коротко-замкнутой первичной обмоткой (рис. 4, 5). На вторичную обмотку подают сигнал переменного тока и регистрируют падение напряжения на клеммах. Измерение повторяют для каждой вторичной обмотки. Полученный импеданс (Zsc_x) – это комбинация первичных и вторичных потерь рассеяния:
Z(sc_x) = R''p + iX''p + Rx + iXx,
где x – индекс вторичной обмотки, на которую подан токовый сигнал.
Рис. 4. Схема подключения VOTANO 100 и VBO2 к ИТН
Рис. 5. Схема подключения VOTANO 100 и VBO2 к ЕТН
Измерение сопротивлений обмоток выполняется подачей постоянного тока во вторичную обмотку, тогда как первичная остается работать в режиме холостого хода. Для ЕТН вывод NHF должен быть разземлен.
Как только происходит насыщение сердечника, измеряется сопротивление обмотки. В ходе испытания это измерение повторяется на каждой вторичной обмотке ТН. Схема подключения VOTANO 100 к ИТН и ЕТН не меняется.
Измерение импеданса вторичной цепи в режиме КЗ – дополнительное испытание для ТН, имеющего более одной вторичной обмотки. Сигнал переменного тока подают на первую вторичную обмотку 1a–1n, при этом вторая вторичная обмотка 2a–2n – короткозамкнутая. Полученный импеданс в режиме КЗ будет состоять из потерь рассеяния:
Z(sc_sec) = R1 + iX1 + R''2 + iX''2 .
Данные, полученные с помощью этого измерения, позволяют разделять реактивное сопротивление утечки первичной и вторичной обмоток.
Второй измерительный канал напряжения подключается к закорачивающей перемычке для компенсации импеданса самой перемычки и возможных сопротивлений контактов, создаваемых ее зажимами. Ожидается, что импеданс вторичной цепи в режиме КЗ будет иметь очень малую величину, поэтому возможный импеданс контактов будет сильно влиять на результаты испытания. Схема подключения VOTANO 100 к ИТН и ЕТН не меняется.
Измерение кривой намагничивания выполняется подачей напряжения переменного тока к первой вторичной обмотке. Измеряют напряжение на клеммах вторичной обмотки, полученный ток возбуждения, а также фазовый угол между напряжением возбуждения и током возбуждения.
Возбуждение осуществляется на низких частотах, чтобы подавить любые влияния, вызываемые паразитной емкостью первичной обмотки. Чтобы привести низкочастотные данные обратно к номинальной частоте, необходимо разделить частотно-зависимые потери для вычисления потерь в сердечнике при номинальной частоте.
Кривую намагничивания необходимо измерять только для первой вторичной обмотки, поскольку многообмоточные ТН имеют один стальной сердечник, к которому присоединяются отдельные обмотки.
Поскольку для этого измерения используются очень низкие частоты, уровень напряжения можно значительно снизить, что защитит от появления высокого напряжения в первичной обмотке. Кроме того, необходимо убедиться, что напряжение в первичной обмотке < 3 кВ для ЕТН, поскольку изоляция вывода NHF на 4 кВ по стандарту IEC и 3,5 кВ по стандарту IEEE.
Схема подключения VOTANO100 к ТН и ЕТН не меняется.
Измерение корректировки коэффициента трансформации выполняется для учета возможной компенсации корректировки. Компенсирование погрешности коэффициента трансформации для получения более положительной погрешности – обще- принятая практика, чтобы удержать ТН в пределах допусков, соответствующих его классу точности.
Измерение коэффициента трансформации на ИТН, имеющем функцию корректировки этого коэффициента для компенсации погрешности. Физически погрешность коэффициента трансформации всегда отрицательная, если у ТН нет корректировки, сдвигающей погрешность коэффициента в направлении положительного значения.
При измерении коэффициента трансформации 4 кВ подается на первичную обмотку, при этом вторичное напряжение последовательно измеряют на каждой обмотке. Коэффициент трансформации по напряжению измеряется без нагрузки при довольно низком первичном напряжении. Одновременно с помощью математической модели вычисляют теоретическую погрешность коэффициента трансформации по напряжению, исходя из отсутствия корректировки коэффициента. Разность между измеренной погрешностью коэффициента без нагрузки и вычисленной погрешностью коэффициента обусловлена корректировкой коэффициента трансформации ТН.
Измерение корректировки коэффициента трансформации на ЕТН проводится в два этапа. На первом общий коэффициент трансформации по напряжению измеряют, прикладывая к первичной обмотке напряжение UprimM1 < 4 кВ. Вторичное напряжение UsecM1 измеряют на первой вторичной обмотке (1a–1n). Результат представляет собой коэффициент трансформации по напряжению всего ЕТН, состоящий из коэффициента трансформации по напряжению, обусловленного емкостным делителем (Nc) и промежуточным индуктивным ТН (NVT):
UprimM1 / UsecM1 = Nc · NVT .
На втором этапе вывод NHF отсоединяют от земли и присоединяют к выводу A ВН. Первичное напряжение (UprimM2) подают между A и NHF относительно земли, вторичное напряжение (UsecM2) измеряют на первой вторичной обмотке 1a–1n.
Необходимо, чтобы промежуточный индуктивный ТН работал теперь в той же рабочей точке, что и при измерении полного коэффициента трансформации по напряжению ЕТН, поскольку индуктивная часть нелинейна относительно приложенного напряжения. Этот подход позволяет разделять коэффициент трансформации по напряжению емкостного и индуктивного делителей напряжения. Измеренный коэффициент трансформации по напряжению равен коэффициенту трансформации по напряжению индуктивного промежуточного ТН:
UprimM2 / UsecM2 =NVT .
Для более точного вычисления поправки к коэффициенту трансформации, на последнем этапе первичное напряжение поднимают до 3 кВ (максимум), чтобы измерить погрешность коэффициента трансформации по напряжению промежуточного ТН при более высоком испытательном напряжении.
С VOTANO 100 и приставкой VBO2 это измерение стало автоматическим. ИТН и ЕТН подключаются одинаково.
Вычисление погрешности коэффициента трансформации по напряжению и фазового сдвига, зависящих от нагрузки, выпоняется для каждой заданной рабочей точки ТН, определенной в выбранном стандарте, т. к. на этом этапе известны все параметры математической модели.
Ток нагрузки вызывает падение напряжения на паразитном импедансе вторичной цепи. Это падение напряжения добавляют к напряжению на клеммах для вычисления напряжения на сердечнике. Если известно напряжение на сердечнике, то известны и относящиеся к нему результирующий ток возбуждения и его фазовый угол. Эти данные необходимы для вычисления полного тока в первичной обмотке (I''p).
В зависимости от состояния нагрузки других обмоток их ток нагрузки добавляется к полному току в первичной обмотке. Ток в первичной обмотке вызывает дополнительное падение напряжения на паразитном импедансе первичной цепи. Падение напряжения в первичной цепи добавляют к напряжению на сердечнике для получения первичного напряжения. Погрешность коэффициента трансформации по напряжению вычисляют по первичному напряжению и напряжению на клеммах вторичной обмотки. Так как корректировка коэффициента трансформации известна, вызванное ею смещение добавляют к вычисленной погрешности коэффициента трансформации по напряжению. Вычисление производится в комплексной плоскости, поэтому можно определить также фазовый сдвиг.
ПРИМЕРЫ
Результаты испытаний с применением VOTANO 100 близки к эталонным, что позволяет калибровать ТН с классом точности 0,1. Поэтому данное устройство можно использовать как для испытания защитных и измерительных ТН в процессе производства, так и для проверки точности ТН на месте эксплуатации. Прежде чем впервые вводить ТН в эксплуатацию, его необходимо испытать, подавая в первичную обмотку номинальное напряжение.
Пример измерения на ТН 66 кВ относится к испытанию ТН в диапазоне 66–132 кВ на месте эксплуатации. На вторичной обмотке есть два ответвления для адаптации коэффициента трансформации по напряжению между 132 кВ/ :110 В/ и 66 кВ/:110 B/. Точность данного трансформатора: ±0,03% для коэффициента трансформации и ±1,5 мин. для фазового сдвига при номинальной нагрузке 1 ВА с коэффициентом мощности 1,0 в диапазоне от 50 до 125% номинального напряжения первичной обмотки. Точность ТН определена для 50 и 60 Гц.
Испытание ТН было проведено несколько раз, чтобы убедиться в стабильности результатов для 50 и 60 Гц, а также для обоих возможных коэффициентов трансформации по напряжению.
Результаты испытания представляют все комбинации ответвлений (66 кВ/:110 В/) при 50 Гц. По данным в табл. 1, 2 и на рис. 6 видно, что погрешность коэффициента трансформации по напряжению находится в необходимых пределах ±0,03% от 80 до 120% номинального напряжения первичной обмотки от 0 до 1 ВА нагрузки.
Таблица 1. Таблица погрешностей коэффициента трансформации
| Мощность | Погрешность коэффициента трансформации по напряжению в % от номинального напряжения | | ВА |
ВА, % | cos φ | 80% | 100% | 120% | | 1,0000 | 100,0 | 1,0000 | –0,0064% | –0,0038% | –0,0019% | | 0,0000 | 0,0 | 1,0000 | –0,0052% | –0,0025% | –0,0006% |
Таблица 2. Таблица фазовых сдвигов
| Мощность | Таблица фазовых сдвигов (мин.) | | ВА | ВА, % | cos φ | 80% | 100% | 120% | | 1,0000 | 100,0 | 1,0000 | –2,5727 | –2,5655 | –2,5576 | | 0,0000 | 0,0 | 1,0000 | –2,3296 | –2,3225 | –2,3146 |
Рис. 6. Диаграмма погрешностей коэффициента трансформации
Полученный фазовый сдвиг немного выходит за требуемые пределы ±1,5 мин. (рис. 7). Наибольшее отклонение с абсолютным значением –1,07 мин. имело место при 80% номинального напряжения первичной обмотки и нагрузке 1 ВА. Это отклонение было бы приемлемым для проверочных измерений измерительных ТН класса 0,1.
Рис. 7. Диаграмма фазовых сдвигов
Результаты оказались стабильными при 50 и 60 Гц для всех проведенных измерений. Наибольшее абсолютное отклонение между всеми успешными испытаниями составило ±0,001% для погрешности коэффициента трансформации по напряжению и ±0,03 мин. для фазового сдвига.
Это доказывает, что методика моделирования работает надежно и обеспечивает воспроизводимость результатов.
Пример измерения на ТН 4 кВ относится к измерению методом сравнения на ТН с литой изоляцией. Погрешность расширенного измерения UFu для коэффициента трансформации составляет 0,006%, UFu для фазового сдвига составляет 0,4 мин.
В табл. 3 приведены погрешность коэффициента трансформации по напряжению и фазовый сдвиг, полученные в лаборатории. Результаты испытаний, выполненных с применением анализатора VOTANO 100, относящиеся к погрешности коэффициента трансформации и фазовому сдвигу, показаны в табл. 4 и на рис. 8, 9. Испытания проводились при частоте 50 и 60 Гц.
Таблица 3. Погрешность коэффициента трансформации по напряжению и фазовый сдвиг
| Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ | U / UN, % | Нагрузка вторичной обмотки 10 кΩ
(=1 ВА cosβ = 1) | | Измерительная обмотка: а–n | | Номинальное напряжение вторичной обмотки, В | | 100 В | | 50 Гц | 60 Гц | | Fu, % | δu, ' | Fu, % | δu, ' | | 4 | 120 | –0,019 | +2,7 | –0,011 | +1,3 | | 100 | –0,016 | +2,1 | –0,012 | +1,1 | | 80 | –0,016 | +1,8 | –0,017 | +0,9 | | 60 | –0,023 | +1,7 | –0,025 | +0,8 | | 40 | –0,045 | +1,6 | –0,048 | +0,9 | | 20 | –0,093 | +2,1 | –0,101 | +1,3 | | Нагрузка вторичной обмотки 0 кΩ | | 100 | 0 | +2,5 | –0,005 | +1,6 |
Таблица 4. Фазовые сдвиги
| Мощность | Таблица фазовых сдвигов (мин.) | | ВА | ВА, % | cos φ | 80% | 100% | 120% | | 1,0000 | 100,0 | 1,0000 | 1,0573 | 1,3540 | 1,7354 | | 0,0000 | 0,0 | 1,0000 | 1,4998 | 1,7966 | 2,1781 |
Рис. 8. Диаграмма погрешностей коэффициента трансформации по напряжению
Рис. 9. Диаграмма фазовых сдвигов
При 100% номинальном напряжении первичной обмотки и 100% номинальной нагрузке погрешность относительно эталонного значения составляет 0,0042% для коэффициента трансформации по напряжению и 0,75 мин. для фазового сдвига.
При 100% номинальном напряжении первичной обмотки и нагрузке 0 ВА, погрешность равна 0,0062% для коэффициента и 0,703 мин. для фазового сдвига.
ЛИТЕРАТУРА
- IEC 60044-2 Ed. 1.2 / 2003-02: Instrument Transformers. Part 2: Inductive voltage transformers.
- IEC 60044-5 Ed. 1.0 / 2004-04: Instrument transformers. Part 5: Capacitor voltage transformers.
- IEC 61869-3 Ed. 1.0 / 2011-07: Instrument transformers. Part 3: Additional requirements for inductive voltage transformers.
- IEC 61869-5 Ed. 1.0 / 2011-07: Instrument transformers. Part 5: Additional requirements for capacitor voltage transformers.
- IEEE Std C57.13TM-2008: IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers.
- ANSI C93.1–1999: Requirements for Power-Line Carrier Coupling Capacitors and Coupling Capacitor Voltage Transformers (CCVT).
- Bergman A. In situ calibration of voltage transformers on the Swedish national grid: PhD thesis. Upsala, 1994.
- Raetzke S. et al. Condition assessment of instrument transformers using Dielectric Response Analysis. CIGRE, 2012.
- Azcarraga C.G. et al. On-site testing of instrument transformers // Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena: Annual Report. 2006.
- VOTANO 100 preliminary user manual.
|
|
