НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

ВАРСЬКИЙ ГРИГОРІЙ МСТИСЛАВОВИЧ

УДК 621.31:681.5

ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ СТРУМУ З ЕЛЕКТРОННОЮ КОМПЕНСАЦІЄЮ ПОХИБКИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.14.02 – “Електричні станції, мережі і системи”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ–2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі автоматизації електричних систем Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник– | | доктор технічних наук, старший науковий співробітник Танкевич Євгеній Миколайович, провідний науковий співробітник відділу автоматизації електричних систем Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти:– | | доктор технічних наук, професор

Бржезицький Володимир Олександрович, Національний технічний університет України “КПІ” МОН України, зав. кафедри техніки та електрофізики високих напруг;–

| кандидат технічних наук Кошман Всеволод Іванович,

Інститут електродинаміки НАН України, провідний науковий співробітник відділу оптимізації систем електропостачання.

Провідна установа– | Інститут проблем моделювання в енергетиці

ім. Г.Є. Пухова НАН України (відділ спеціалізованих засобів моделювання), м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “06” червня 2007 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел. .

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ, проспект Перемоги, 56).

Автореферат розіслано “04” травня 2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.О. Саратов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з важливих елементів систем керування, обліку електроенергії та релейного захисту і автоматики (РЗА) електроенергетичних систем (ЕЕС) є датчики вимірювальної інформації. Точність та надійність останніх значною мірою визначають ефективність функціонування зазначених систем, а отже і електроенергетичної галузі в цілому.

До датчиків інформації про струми електроенергетичних об’єктів (ЕЕО) та електротехнологічних установок (ЕТУ) висувають жорсткі вимоги з точки зору надійності, точності, динамічного та частотного діапазонів, динамічних характеристик в перехідних режимах роботи ЕЕО (ЕТУ). Так спотворення інформації про струми в перехідному режимі призводить до затримки спрацювання РЗА, що знижує надійність роботи основного електроенергетичного обладнання, та може потягнути за собою виникнення серйозних системних аварій. Недостатньо висока точність датчиків струму в усталених режимах роботи ЕЕО (ЕТУ) призводить, як правило, до недообліку електроенергії, особливо при роботі в нижній частині діапазону вимірювань та при значних спотвореннях вимірюваного струму, збільшенню комерційних втрат електроенергії. Сказане вище стосується як первинних, так і вторинних або вхідних перетворювачів струму сучасних мікропроцесорних пристроїв РЗА, систем керування та обліку електроенергії.

Традиційні для електроенергетики датчики струму, якими є електромагнітні трансформатори струму (ТС), практично досягли межі своїх можливостей у забезпеченні систем керування, обліку електроенергії та РЗА ЕЕС інформацією необхідної точності та надійності. Тому у світі ведуться роботи по пошуку нових рішень у створенні вимірювальних перетворювачів струму з покращеними метрологічними характеристиками (МХ). Такі роботи є традиційними для Інституту електродинаміки НАН України. Певний доробок в цю справу внесли також ряд закордонних вчених: Андрєєв Ю.А., Громов П.И., Шеле К.-Х., Шваб А. та інші.

На сьогодні вимірювальні перетворювачі струму з електронними блоками компенсації похибки найбільш повно відповідають вимогам по точності в усталених та перехідних режимах ЕЕС, можуть використовуватись для вимірювання постійного, змінного, змішаного та імпульсного струмів, забезпечуючи при цьому, в порівнянні з іншими перетворювачами, довготривалу стабільність МХ, високу надійність, стійкість до завад та невисоку ціну, але питання їх теорії, побудови, випробувань, особливо з урахуванням паразитних параметрів електромагнітної частини перетворювача, висвітлені недостатньо. Тому тема дисертаційної роботи є актуальною для електроенергетики України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні дослідження і конкретні практичні розробки по темі дисертації здійснювалися в процесі виконання планів НДР Інституту електродинаміки НАН України: теми “Щит”, №ДР01830068110, 1986р.; “Регістратор”, №ДР01.84.0076930, 1988р.; “Інтерфейс”, №ДР193U032012, 1993-1997р.р.; “Регіон”, №ДР 0198U001366, 2002р.; “Інфотех-2П”, №ДР0101U003455, 1998-2003р.р.; “Діамант”, №ДР0102U002993, 2002-2006р.р.; “Монид”, №ДР0104U006383, 2004-2006р.р.; “ЗТК-П”, №ДР0104U003144, 2004-2006р.р.; комплексної програми наукових досліджень НАН України “Науково-технічні основи вирішення проблем енергозбереження”: №0107U000586 і №0107U00588, 2006–2008рр. та в рамках господарчих договорів СКТБ Інституту електродинаміки НАН України: “Облегчение”, г/д 2/397 (437-83/386-83) (1983–1985р.); “Полігон”, г/д 3/482 (№ 432 1992р.) та ін. В зазначених роботах здобувач виконував дослідження та розробку різних типів вимірювальних перетворювачів з електронною компенсацією похибки, вхідних перетворювачів струму та напруги для систем реєстрації параметрів режимів електричних мереж, багатофункціональних цифрових перетворювачів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток теорії, способів побудови та методів випробувань вимірювальних перетворювачів струму (ВПС) з електронною компенсацією похибки, що характеризуються високими та стабільними в часі метрологічними характеристиками.

Для досягається визначеної мети необхідно було розв’язати наступні основні задачі:

- розробити математичні моделі ВПС з електронною компенсацією похибки, призначених для роботи в усталених та перехідних режимах роботи ЕЕС, а також при вхідному струмі з довготривалою постійною складовою, з урахуванням паразитних параметрів електромагнітної системи перетворювача;

- дослідити роботу зазначених перетворювачів в усталених та перехідних режимах роботи ЕЕО;

- розробити методики розрахунку зазначених ВПС;

- розробити подільники струму для ВПС на великі струми та дослідити їх точностні характеристики;

- розробити та дослідити вхідні ВПС для систем вимірювання параметрів режимів ЕЕС та РЗА на основі ВПС з електронною компенсацією похибки;

- розробити методи та засоби для дослідження МХ ВПС для електронних лічильників електроенергії.

Об’єкт дослідження – одержання і обробка інформації про стан ЕЕО і ЕТУ для систем керування, обліку електроенергії, релейного захисту та автоматики.

Предмет дослідження – вимірювальні перетворювачі струму з електронною компенсацією похибок.

Методи дослідження – для розв’язання перелічених задач застосовувались наступні методи:

методи математичного та схемотехнічного моделювання, методи теорії електричних кіл, методи теорії автоматичного керування і метод узагальненого сигнального графа при побудові структурних схем ВП та дослідженні їх передаточних функцій; розроблені в роботі методи випробувань ВП за наявності постійної складової у первинному струмі; методи теорії похибок вимірювань при вдосконаленні методики розрахунку похибок ВП.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації полягає в наступному:

- вперше одержано математичні моделі ВПС з електронною компенсацією похибки у вигляді структурних схем слідкуючих систем з урахуванням паразитних параметрів електромагнітної частини перетворювачів, що адекватно відображують реальні режими їх роботи і дозволяють отримати передаточні функції та точніше оцінити похибки перетворювачів;

- вперше проаналізовано перехідні процеси у ВПС, побудованому на двох осердях, з негативним зворотним зв’язком та вказано на наявність низькочастотних коливань у вихідному струмі, постійна затухання яких залежить від параметрів схеми перетворювача;

- удосконалено метод вимірювань великих струмів за допомогою подільників струму шляхом введення додаткового вимірювального перетворювача для визначення відхилення дійсного коефіцієнта ділення від номінального, що робить метод інваріантним до змін частоти і величини вимірюваного струму, коливань температури оточуючого середовища;

- вперше сформульовано вимоги до метрологічних характеристик вхідних ВПС в складі статичних лічильників електроенергії різних класів точності та розроблено метод випробувань ВПС для лічильників безпосереднього включення, який полягає в заміні при випробуваннях заданого стандартом для лічильників пульсуючого вхідного струму на суму його постійної складової і першої гармоніки. Визначено величини цих складових струму за яких забезпечується відповідність умов роботи ВПС при випробуваннях цим методом умовам їх роботи при стандартних випробуваннях лічильника.

Практичне значення одержаних результатів визначається їх спрямуванням на побудову технічно досконалих, високоточних ВПС з електронною компенсацією похибки. Запропоновані в роботі моделі, методи та схемні рішення ВПС дозволяють проводити ретельний аналіз електромагнітних процесів в таких ВПС в різних режимах роботи ЕЕО; проектувати, виготовляти та проводити метрологічні випробування ВПС, які задовольняють заданим вимогам, за умов економії електротехнічних матеріалів, зменшення габаритів та вартості.

Отримані в дисертації результати є складовою частиною виконуваних в Інституті електродинаміки НАН України робіт за участю автора. Результати роботи впроваджені наступним чином:

- дослідні зразки вимірювальних перетворювачів струму “ІСТРА” для випробувань судового електрообладнання на натурному випробувальному стенді автономної електроенергетичної системи п/я В 2156 (Всесоюзний інститут суднового електротехнічного обладнання, м. Санкт-Петербург);

- взірцеві перетворювачі струму та напруги для апаратури визначення метрологічних характеристик мікропроцесорних систем збору і обробки інформації про нормальні і аварійні режими електроенергетичних об’єктів – в Українській енергетичній науково-промисловій асоціації “ЕНПАС”, м.Київ;

- вхідні перетворювачі струму та напруги для мікропроцесорних систем реєстрації параметрів режимів електричних мереж – в інформаційно-діагностичному комплексі “Регіна” (МЧП “Анігер”, м.Київ);

- методика випробувань вхідних перетворювачів струму статичних лічильників електроенергії на вплив постійної складової у первинному струмі – в групових технічних умовах ТУ У 21466665.009-06 “Трансформатори струму вимірювальні ТСВ” (ТОВ “МЕЛТА”, м.Київ).

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які містяться в дисертації, одержані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: [1] – аналітичне дослідження активно-індуктивного подільника струму, визначення його передаточної функції, аналіз струмової і кутової похибки при зміні частоти вхідного струму; [2, 6] – визначення допустимих значень струмових і кутових похибок ВП струму лічильників електроенергії трансформаторного і безпосереднього включення; [3] – експериментальна перевірка алгоритму корекції похибок ТС в багатофункціональному лічильнику електроенергії; [4, 11] – дослідження роботи і експериментальне визначення похибки лічильника електроенергії з двома вимірювальними елементами в режимах однофазних замикань на землю; [5] – комбінований метод випробування вхідних перетворювачів струму статичних лічильників електроенергії безпосереднього включення; [8] – ідея виконання первинної обмотки багатосекціонованою; [9] – ідея створення компенсованого дільника струму; [10] – аналіз частотних характеристик вимірювального перетворювача змінного і постійного струму.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертацію, доповідались і обговорювались на другій республіканській науково-технічній конференції “Пристрої перетворення інформації для контролю і управління в енергетиці” (Харків, 1985); International Conference on Instrument Transformers-Current State and Trends of Development (September 12-14, 1990, Lodz, Poland); European Conference on Applied Superconductivity (October 4-8, 1993, Gottingen, Germany); третій науково-практичній конференції “Метрологія електричних вимірювань в електроенергетиці” (Москва, 2003 р.); п’ятій науково-практичній конференції ”Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні” (Київ, 2005 р.)

Публікації. Всього за матеріалами дисертації опубліковано 17 друкованих праць, з них 7 статей у фахових наукових виданнях, 2 авторських свідоцтва, 3 доповіді на наукових конференціях, 1 теза доповіді на науково-технічній конференції та 4 статті в інформаційно-наукових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 97 найменувань та 2 додатків. Загальний обсяг роботи становить 189 сторінок, в тому числі 146 сторінок основного змісту, 62 рисунки і 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність задачі, що вирішується в дисертаційній роботі, сформульовано мету і задачі досліджень, розкрито наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено дані про апробацію та публікації основних результатів роботи.

Перший розділ присвячено аналізу методів електронної компенсації похибок вимірювальних перетворювачів струму (ВПС), які займають важливе місце серед методів підвищення точності ВПС (рис.1).

Рис.1. Напрямки підвищення точності та методи електронної

компенсації похибок ВПС

На основі проведеного аналізу було обрано метод компенсації магнітного потоку в осерді перетворювача за рахунок введення зворотних зв’язків (ВПС з негативним зворотним зв’язком по магнітному потоку, або просто ВПС з н.з.з.), як такий, що дозволяє при мінімальних схемних затратах значно зменшити розміри магнітної системи перетворювача, знижуючи матеріалоємність ВПС, досягти надзвичайно високої точності як в усталених, так і в перехідних режимах роботи, що не дозволяють зробити інші методи.

ВПС з н.з.з., виходячи з призначення, доцільно розділити на три основні групи: 1) для роботи в перехідних режимах; 2) для вимірювання постійного і змінного струмів; 3) для роботи в усталених режимах. Функціональні схеми ВПС в межах кожної групи однакові як для первинних, так і для вторинних перетворювачів, що дозволяє використовувати однакові підходи для їх розрахунку. Окремою групою слід виділити вторинні (або вхідні) ВПС для лічильників електроенергії, як такі що мають ряд специфічних вимог.

Показано, що для роботи в перехідних режимах доцільно використовувати ВПС на триобмотковому трансформаторі з підсилювачем. Для вимірювання постійного і змінного струмів необхідні ВПС з датчиком постійного магнітного потоку. У цьому випадку вимогам по точності і стабільності метрологічних характеристик, мінімальним схемним затратам відповідають ВПС з магнітним модулятором і індукційною обмоткою. ВПС призначені для роботи в усталених режимах, для вимірювання і обліку електроенергії слід виконувати по схемі на двох магнітопроводах з н.з.з., що дозволяє при стандартних значеннях вторинних струмів використовувати для компенсації похибки малопотужний підсилювач .

Максимально реалізувати переваги ВПС з н.з.з. для побудови високоточних перетворювачів з стабільними характеристиками дозволяє використання осердь, виготовлених з нових магнітних нанокристалічних і аморфних матеріалів. Серед них необхідно виділити осердя з лінійною кривою намагнічування і надзвичайно низькими втратами, які виготовлені із аморфних матеріалів на основі кобальту з подальшою термообробкою в поперечному магнітному полі. Такі осердя без усіляких застережень можна рекомендувати для вторинних ВПС. З розвитком технології виготовлення, вони знаходять все більше застосування і у первинних ВПС як традиційного виконання, так і у ВПС з н.з.з.

У другому розділі розглянуто ВПС для перехідних режимів роботи ЕЕС. У дисертації ВПС з н.з.з. розглядається як слідкуюча система, що дозволяє побудувати його математичну модель у вигляді структурної схеми з урахуванням паразитних параметрів ТС (рис.2). Первинний струм i1 ВПС, протікаючи по первинній обмотці w1, створює у осерді перетворювача первинну магніторушійну силу (м.р.с.) F1=i1w1, яка компенсується вторинними м.р.с. F2=i2w2 і F3=i3w3, що виникають під дією вторинних струмів i2 і i3 у відповідних обмотках w2 і w3. Результуюча або повна м.р.с. намагнічування F0=F1-F2-F3=i0w1, створює у осерді потік намагнічування , де RМ – магнітний опір осердя ТС, який у випадку кільцевого осердя дорівнює , а , S і l – абсолютна магнітна проникність, площа поперечного перерізу і довжина середньої магнітної лінії осердя ТС відповідно. Під дією потоку намагнічування Ф0, у індукційній обмотці w3 виникає напруга , яка подається на підсилювач з передаточною функцією K?П, і струм i3, який визначається величиною вхідного опору Z?вх підсилювача. Величини K?П і Z?вх визначаються з урахуванням внутрішнього опору r3, індуктивності розсіювання LS3, і власної ємності C3 обмотки w3, а також міжобмоточної ємності C23. Під дією напруги uП з виходу підсилювача по колу зворотного зв’язку протікає струм iН, що складається із струмів i2 в обмотці w2, і струму в власній ємності C2 обмотки w2. Струм iН, створює на опорі зворотного зв’язку ZЗЗ=ZЗЗ+ZН+Zвих, де ZЗЗ – обмежувальний опір, Zвих – вихідний опір підсилювача, ZН – опір навантаження, падіння напруги, яке зменшує напругу на опорі Z2 = r2 +pLS2, де r2 і LS2 внутрішній опір і індуктивність розсіювання обмотки w2. В той же час у обмотці w2 потоком Ф0 створюється напруга , що викликає струм iН, частина якого замикається через власну ємність C2 і не потрапляє у навантаження.

Рис.2. Структурна схема трансформатора струму з негативним зворотним зв’язком, як слідкуючої системи

Таким чином, по навантаженню протікає струм iН = iН + iН, а по обмотці зворотного зв’язку i2 = i2 + i2, які відрізняються один від одного за рахунок шунтуючого впливу ємності C2. Струм i2 у обмотці зворотного зв’язку w2 і навантаженні повторює форму і всі зміни первинного струму i1. У осерді трансформатора відбувається порівняння м.р.с. (магнітних потоків) первинного і вторинного струмів. Будь яка зміна первинного струму викликає зміну м.р.с. намагнічування F0, яка завдяки негативному зворотному зв’язку зводиться практично до нуля, що забезпечує високу точність такого ВПС.

Передаточна функція ВПС з н.з.з. має вигляд:

(1)

де a01…a53, b01…b53 коефіцієнти які визначаються через r2, r3, LS2, LS3, C2, C3, C23, ZЗЗ, ZН, Zвих опір втрат Rв, і вирази для яких одержано у роботі. Кінцевий вигляд (1) залежить від значень KП і Zвх та визначається для кожного конкретного випадку окремо.

У дисертації показано, що стійкість перетворювача, як системи автоматичного регулювання, при використанні інвертуючого підсилювача з передаточною функцією коливальної ланки (або аперіодичної ланки другого порядку), визначається тільки паразитними параметрами трансформатора ВПС і не залежить від величини коефіцієнта підсилення підсилювача. Запропоновано для обмеження впливу напруги зміщення підсилювача на магнітний стан осердя при великих значеннях коефіцієнта підсилення у коло зворотного зв’язку ВПС ввести обмежувальний опір у вигляді паралельно з’єднаних резистора і ємності. Це дозволило при прийнятній похибці по аперіодичній складовій перехідного струму залишити незмінною похибку на змінному струмі, значно зменшити величину ємності, зберегти аперіодичний характер перехідних процесів у ВПС.

Проведені дослідження дозволили створити вторинні ВПС для інформаційно-діагностичного комплексу “Реґіна” на струми з ударними значеннями до 300 А, та дослідити їх частотні характеристики і роботу у перехідному режимі.

У роботі побудована математична модель ВПС з н.з.з. для вимірювання постійного та змінного струмів з давачем постійного магнітного потоку на основі магнітного модулятора. Отримані вирази для повної похибки , струмової похибки fi , кутовї похибки , похибки на постійному струмі = дозволяють оцінити точність ВПС в усталеному режимі через параметри трансформатора і електронної схеми.

На основі проведених досліджень в Інституті електродинаміки були розроблені і виготовлені дослідні зразки вимірювальних перетворювачів струму “ІСТРА” для випробувань судового електрообладнання на натурному стенді –автономної електроенергетичної системи п/я В 2156 (Всесоюзный институт судового электротехнического оборудования, г. Санкт-Петербург). Результати випробувань ВПС “ІСТРА-1” на номінальний струм 1 кА на змінному струмі і в перехідному режимі підтвердили очікувані МХ перетворювача.

У дисертації розглянуто питання збільшення верхньої границі діапазону вимірювання ВПС з н.з.з. Запропоновано активно-індуктивний подільник струму з покращеними МХ та подільник струму з автоматичною компенсацією похибки (рис.3).

Рис.3. ВП струму з автоматичною компенсацією похибки подільника

Останній складається з вхідного затискача 1, до якого підключені одними виводами провідник 2, що представляє собою шунт, і провідник 3, основний ВПС 4, додатковий ВПС 5, суматор 6, навантаження 7, підключене до виходу суматора 6, і вхідний затискач 8.

При виконанні умов

і

коефіцієнт перетворення К ВП в цілому дорівнює

,

де К4 – коефіцієнт перетворення основного ВП ; K51, K52 – коефіцієнти перетворення додаткового ВП 5 по першому й другому входах, утвореним першою 17 і другою 18 первинними обмотками відповідно; К61 і К62 коефіцієнти передачі суматора 6 по першому і другому входах; nном – номінальне значення коефіцієнта ділення дільника струму. Таким чином К не залежить від значення дійсного коефіцієнта n ділення дільника струму. Це значно зменшує похибки вимірювання струму, тому що відхилення дійсного коефіцієнта n ділення дільника струму від номінального через неточність виготовлення і зміни температури провідників 2 й 3, що утворюють дільник струму, зміни величини або частоти вимірюваного струму, не приводять до зміни коефіцієнта К перетворення пристрою. Випробування зазначеного ВП у перехідних режимах роботи проводились у НДЦ ВВА (м. Москва). Вихідний сигнал ВП порівнювався із сигналом зразкового шунта на 10 кА. Як видно з осцилограми (рис.4) повна похибка ВП не перевищує 0,3% протягом усього процесу.

Рис. 4. Осцилограми первинного, вторинного струмів та повної похибки компенсованого подільника струму

Третій розділ присвячено дослідженню вимірювальних перетворювачів струму для усталених режимів роботи ЕЕС. В роботі показано, що досягти заданої точності за умов обмеження габаритних розмірів та маси, висування вимог до частотних характеристик перетворювача і його ціни, можна за допомогою вимірювального перетворювача струму з негативним зворотним зв’язком, побудованого на двох осердях (ВПСЕК). Такий перетворювач дозволяє при мінімальних розмірах магнітної системи, за допомогою малопотужного підсилювача і джерела живлення, забезпечити в усталених режимах ЕЕС надзвичайно високу точність і при цьому величина його номінального вторинного струму залишається такою ж як і в електромагнітних ТС і відповідає стандартним значенням, встановленим у нормативних документах. Ця важлива обставина дозволяє використовувати ВПСЕК у існуючих схемах вимірювання без будь-яких переробок вхідних кіл або заміни встановленого обладнання, приладів та пристроїв.

ВПСЕК (рис. 5) працює наступним чином. На першому осерді Т1 розташована індукційна обмотка w3, яка слугує для виявлення залишкового магнітного потоку. На другому осерді Т2 намотана обмотка зворотного зв’язку w4 для створення додаткового компенсаційного магнітного потоку. Обидва осердя з індукційною обмоткою і обмоткою зворотного зв’язку охоплюють первинна w1 і вторинна w2 обмотки ВПС. Первинний струм i1 протікаючи по обмотці w1 створює магнітний потік Ф1, який частково компенсується вторинним магнітним потоком Ф2, що створюється струмом i2 у вторинній обмотці w2. Частина різницевого магнітного потоку Ф0 = Ф1 – Ф2 сприймається індукційною обмоткою w3, напруга з якої поступає на підсилювач А. Вихідна напруга підсилювача uвих поступає на обмотку зворотного зв’язку w4 і індукує у вторинній обмотці w2 додаткову е.р.с., що призводить до зміни вторинного струму таким чином, щоб різницевий магнітний потік Ф0 прямував до нуля. Завдяки цьому похибки ВПС також прямують до нуля.

Рис.5. Схема трансформатора струму з негативним зворотним зв’язком на двох осердях

Виходячи з розгляду ВПСЕК як слідкуючої системи побудовано його структурну схему (рис.6) з урахуванням паразитних параметрів трансформаторів, які входять до його складу. У роботі знайдено передаточні функції ВПСЕК для індукції у першому і другому осердях, для напруги і струму підсилювача, для вихідного сигналу та одержані частотні залежності похибок перетворювача.

Передаточна функція ВПСЕК для вторинного струму, має вигляд:

,

де ; ; ; ; ; Z(p)= R(1+ pT); R= rН+r2;

L= LН+LS2; T= L/ R; Z3(p)= Zw3(p)+ Zвх(p)= r3(1+ pTS3+ Zвх(p)/ r3); TS3= LS3/ r3;

ZЗЗ=Zw4+ Zвих= r4(1+ pTS4+ Zвих/r4); TS4= LS4/r4; rН, LН – активний опір і індуктивність навантаження; r2, r3, r4, LS2, LS3, LS4 – активні опори і індуктивності розсіювання обмоток w2, w3 і w4 відповідно; KП(p), Zвх(p) і Zвих(p) – передаточна функція, вхідний і вихідний опори підсилювача з урахуванням паразитних параметрів обмотки w3.

Рис .6. Структурна схема ВПСЕК

При аналізі перехідних процесів у ВПСЕК по його передаточній функції, виявлено низькочастотні коливання у вихідному струмі, постійна затухання яких залежить від параметрів схеми ВПС. Запропоновано для подавлення цих коливань при збереженні точності перетворювача ввести у коло зворотного зв’язку демпферний RC-ланцюг.

На основі аналізу роботи ВПСЕК розроблено методику розрахунку перетворювачів з негативним зворотним зв’язком на двох осердях.

У роботі на основі досліджуваної схеми ВПСЕК розроблено і виготовлено вбудований трансформатор струму класу точності 0,2S на струми до 300 А і умовний клас напруги вище 35 кВ, що неможливо досягти іншими засобами. У такому перетворювачі використано недорогі магнітні осердя з електротехнічної сталі, причому значно меншого перерізу ніж у звичайних вбудованих трансформаторах струму, і дешеві електронні комплектуючі для блоку компенсації. Висока точність, стабільність МХ, достатньо висока надійність дозволяє використовувати розроблений перетворювач у сучасних схемах обліку електроенергії, які вимагають застосування вимірювальних трансформаторів класів точності не нижче 0,2S.

В четвертому розділі обґрунтовано і сформульовано вимоги до метрологічних характеристик вхідних ВПС в складі статичних лічильників електроенергії різних класів точності та розроблено комбінований метод випробувань на вплив постійної складової у первинному струмі для ВПС лічильників безпосереднього включення, що полягає в заміні при випробуваннях заданого стандартом для лічильників пульсуючого вхідного струму на суму його постійної складової і першої гармоніки. Визначено величини цих складових струму, що забезпечує відповідність умов роботи ВПС при випробуваннях цим методом умовам їх роботи при стандартних випробуваннях лічильника.

Розроблена схема випробувань ВПС комбінованим методом при мінімальних розробках нового обладнання (взірцеві перетворювачі струм-напруга для первинного і вторинного струмів вхідних перетворювачів) забезпечує випробування вхідних ВПС ЛЕ різних типів як при змінному струмі, так і при випробуваннях на вплив постійної складової у первинному струмі.

Побудовано математичну модель та розроблено взірцевий перетворювач струм-напруга первинного струму на основі трансформатора струму з зворотним зв’язком та магнітним інтегратором, що дозволяє використовувати його у колах пульсуючого, постійного і змінного струмів при забезпеченні гальванічної розв’язки між силовими та вимірювальними колами. Одержані на основі його структурної схеми передаточні функції перетворювача дозволили знайти частотні залежності його похибок.

Показано, що при створенні взірцевих перетворювачів струм-напруга вторинного струму трансформаторних вхідних ВПС, доцільно для забезпечення мінімального значення вхідного опору і стабільності коефіцієнта перетворення використовувати структуру на двох операційних підсилювачах (ОП), з’єднаних послідовно для підвищення коефіцієнта підсилення на постійному струмі і охоплених спільним негативним зворотнім зв’язком через взірцевий резистор. Точність такого перетворювача визначається практично тільки точністю взірцевого резистора. Оптимізація перехідних процесів у розробленому перетворювачі на двох ОП при швидкій зміні вхідного сигналу досягається завдяки вибору частоти одиничного підсилення другого ОП як мінімум у чотири рази вище ніж у першого ОП.

Показано, що вхідний ВПС для ЛЕ, побудований по схемі вимірювального перетворювача струму з негативним зворотним зв’язком, має на змінному струмі вищі метрологічні характеристики ніж існуючі трансформаторні вхідні перетворювачі струму для ЛЕ. Особливо яскраво його переваги проявляються при роботі на пульсуючому струмі (рис.7), тобто в умовах підмагнічування постійним струмом, де він, на відміну від інших перетворювачів, працює без спотворення вихідного сигналу. Для побудови таких перетворювачів необхідно використовувати магнітопроводи з аморфних матеріалів з лінійною характеристикою намагнічування для запобігання замагнічування осердя перетворювача постійною складовою первинного струму.

В додатках подано приклад розрахунку частотних залежностей похибок вимірювального перетворювача струму з електронною компенсацією похибок на двох осердях, акти впровадження у виробництво результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертації розв’язана актуальна задача вдосконалення математичних моделей, методів розрахунку і випробувань ВПС з пристроями електронної компенсації похибок і побудова на цій основі сучасних засобів вимірювання струму для систем керування об’єктів електроенергетики і потужних ЕТУ.

Застосування запропонованих рішень дозволяє підвищити точність вимірювання струмів, технічну досконалість систем керування і їх якість.

В роботі отримано наступні основні результати:

1. Традиційні електромагнітні ТС, що сьогодні виробляються і використовуються в експлуатації, досягли межі своїх можливостей у забезпеченні все зростаючих вимог сучасних систем керування ЕЕО щодо точності роботи як в усталених, так і перехідних режимах енергосистем. Пошуки нових рішень у створенні ВПС із-за труднощів практичного забезпечення всього комплексу вимог до них не доведені поки що до практичного використання. Проблема може бути розв’язана, найбільш оптимально, шляхом побудови ВПС з електронними блоками компенсації похибки.

2. На основі представлення і розгляду ВПС як САР розроблені, з урахуванням паразитних параметрів електромагнітної системи перетворювачів, математичні моделі ВПС з електронними блоками компенсації. Отримані моделі адекватно відображають реальні властивості ВПС і дозволяють отримати передаточні функції і здійснити більш точне оцінювання похибок в різних режимах роботи за різних робочих умов.

3. Розроблено методику розрахунку ВПС з електронною компенсацією похибки з урахуванням вимог вітчизняних і міжнародних стандартів, що дозволяє створювати високоточні конкурентноздатні перетворювачі.

4. Запропоновано компенсований дільник струму для ВПС з електронною компенсацією похибки, коефіцієнт ділення якого не залежить від частоти і величини вимірюваного струму та температури оточуючого середовища, що дозволяє без погіршення точності ВПС значно збільшити первинний вимірюваний струм.

5. Розроблено комбінований метод метрологічних випробувань вхідних ВП струму для статичних лічильників електроенергії безпосереднього включення, що полягає в заміні пульсуючого вхідного струму на суму першої гармоніки і постійної складової. Показано, що при випробуваннях цим методом величина струму першої гармоніки, визначена із перетворення Фур’є для однопівперіодного випрямленого вхідного струму, повинна бути збільшена у 1,1 рази для забезпечення відповідності умов роботи по максимальній індукції у осерді ВПС реальним умовам експлуатації.

6. На основі отриманих в роботі результатів розроблено, виготовлено і випробувано ряд ВПС, що входять до складу вимірювальних каналів систем керування ЕЕО, ЕТУ та випробувальних стендів. Серед них дослідні зразки ВПС “Істра” двох модифікацій для випробувань автономних енергосистем, взірцеві перетворювачі струму та напруги для випробувань вторинних мікропроцесорних систем електроенергетики, вхідні перетворювачі струм–напруга для інформаційно-діагностичного комплексу “Регіна”, вбудований ТС підвищеної точності.

7. Подальше використання результатів роботи пропонується шляхом впровадження одержаних математичних моделей та запропонованих технічних рішень в практику розробки і випробувань нових модифікацій ВПС з електронною компенсацією похибки, зокрема в ВО “Київприлад” НКА України, ТОВ “МЕЛТА”, МЧП “Анігер” та інших підприємствах та організаціях, що займаються виробництвом ВПС та їх впровадженням.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Черненко В.А., Беспалый А.Ф., Варский Г.М. Анализ частотных характеристик активно-индуктивного делителя тока // Автоматизация и релейная защита в энергосистемах: Сб. науч. тр. – К.: Наукова думка, 1987. – С. 36-39.

2. Варський Г.М., Танкевич Є.М., Яковлєва І.В., Березянський М.П. Вимоги до точності вхідних перетворювачів струму багатофункціональних мікропроцесорних лічильників електроенергії Праці Інституту електродинаміки НАН України. – 2003. – №3(6). – С.86–91.

3. Стогній Б.С., Танкевич Є.М., Варський Г.М., Яковлєва І.В., Гінайло В.О. Підвищення достовірності обліку електроенергії в різних схемах вимірювання // Гідроенергетика України. – 2005. – №4. – С.21–26.

4. Стогний Б.С., Танкевич Е.Н., Варский Г.М., Яковлева И.В., Гинайло В.А. Учет электроэнергии двухэлементным счетчиком // Энергетика и электрификация. – 2006. – № 1. – С.32–37.

5. Варський Г.М., Танкевич Є.М., Носенко В.К. Методи та схеми випробувань трансформаторних перетворювачів струму статичних лічильників електроенергії // Технічна електродинаміка. – 2006. – №2. – С.71–75.

6. Варський Г.М., Танкевич Є.М. Вхідні перетворювачі струму статичних лічильників електроенергії // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. – 2006. – № 2(14). – С.142–145.

7. Варський Г.М. Взірцеві перетворювачі струм-напруга для схем визначення метрологічних характеристик вхідних перетворювачів струму статичних лічильників електроенергії // Технічна електродинаміка. – 2006. – №4. – С.63–68.

8. Трансформатор тока: А.с. 1374296 СССР, МКИ4 H01F 40/06. / А.Ф. Беспалый, Г.М. Варский, В.А. Черненко. – № 4116912/24-07; Заявлено 08.09.86; Опубл. 15.02.88, Бюл. №6. – 2 с. ил.

9. Устройство для измерения тока: А.с. 1511694 СССР, МКИ4 G01R 19/00, H01F 40/06 / Б.С. Стогний, В.А. Черненко, Г.М. Варский, А.Ф. Беспалый. – № 4273380/24-21; Заявлено 21.05.87; Опубл. 30.09.89, Бюл. №36. – 4 с.ил.

10. Черненко В.А., Варский Г.М., Беспалый А.Ф. Измерительный преобразователь переменного и постоянного тока // Тезисы докладов второй республиканской научно-технической конференции “Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике”. – Харьков: ХПИ. – 1985. – С. 56–57.

11. Варский Г.М., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В., Гинайло В.А. Особенности учета электроэнергии при несимметрии сети // Доклады третьей науч.-практ. конф. “Метрология электрических измерений в электроэнергетике”. – М.: Изд-во “НЦ ЭНАС”. – 2003. – С. 308–320.

АНОТАЦІЇ

Варський Г.М. Вимірювальні перетворювачі струму з електронною компенсацією похибки для електроенергетики та електротехнологічних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – електричні станції, мережі і системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена розвитку теорії, способів побудови та методів випробувань вимірювальних перетворювачів струму з електронною компенсацією похибки, що характеризуються високими та стабільними в часі метрологічними характеристиками, для систем керування, обліку електроенергії, релейного захисту та автоматики електроенергетичних об’єктів.

В роботі розроблено математичні моделі вимірювальних перетворювачів струму з електронною компенсацією похибки, призначених для роботи в усталених та перехідних режимах роботи ЕЕС, з урахуванням паразитних параметрів електромагнітної системи перетворювача і досліджено їх роботу. Створено подільники струму для вимірювальних перетворювачів на великі струми та досліджено їх точностні характеристики. Обґрунтовано вимоги і розроблено методи та засоби для дослідження метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів струму для електронних лічильників електроенергії.

Результати роботи впроваджені в розробках вітчизняних інформаційно-діагностичних комплексів та метрологічного забезпечення серійного виробництва вхідних перетворювачів струму статичних лічильників електроенергії.

Ключові слова: вимірювальний перетворювач струму, структурна схема, зворотний зв’язок, компенсація похибки.

Варский Г.М. Измерительные преобразователи тока с электронной компенсацией погрешности для электроэнергетики и электротехнологических установок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 – электрические станции, сети и системы. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена развитию теории, способов построения и методов испытаний измерительных преобразователей тока с электронной компенсацией погрешности, которые характеризуются высокими и стабильными во времени метрологическими характеристиками, и являются основой построения технически совершенных систем управления, учета электроэнергии, релейной защиты и автоматики электроэнергетических объектов.

В работе разработаны математические модели измерительных преобразователей тока с электронной компенсацией погрешности, предназначенных для работы в установившихся и переходных режимах работы ЕЕС, а также при входном токе с долговременной постоянной составляющей, с учетом паразитарных параметров электромагнитной системы преобразователя. Исследована работа отмеченных преобразователей в установившихся и переходных режимах работы ЕЕО.

Показана необходимость использования в схеме измерительного преобразователя тока с электронной компенсацией погрешности инвертирующего усилителя. В этом случае устойчивость схемы преобразователя определяется только паразитарными параметрами трансформатора и не зависит от величины коэффициента усиления усилителя. Для уменьшения влияния напряжения смещения усилителя на магнитное состояние сердечника преобразователя при больших коэффициентах усиления целесообразно в цепи обратной связи использовать параллельную RC цепочку, которая позволяет сберечь апериодический характер переходных процессов в измерительном преобразователе и сохранить его точность на переменном токе.

Для расширения динамического диапазона измерительных преобразователей тока в сторону увеличения верхнего предела измерения разработаны делители тока и исследованы их точностные характеристики. Рассмотренный в работе активно-индуктивный делитель тока, по сравнению с резистивными делителями, обеспечивает стабильность коэффициента деления на высоких частотах, но при этом остается его зависимость от температуры окружающей среды и величины измеряемого тока на низких частотах. Более высокие метрологические характеристики имеет измерительный преобразователь с автоматической компенсацией погрешности делителя тока. В этом устройстве усовершенствование измерения больших токов с помощью делителя достигается посредством введения дополнительного измерительного преобразователя тока для определения отклонения действительного коэффициента деления от номинального, что делает метод инвариантным к изменениям частоты и величины измеряемого тока, колебаний температуры окружающей среды. Испытания такого преобразователя в переходных режимах подтвердили его высокую точность.

Создана методика расчета измерительных преобразователей, которые предназначены для работы в качестве встроенных трансформаторов тока.

На основе анализа погрешностей статических счетчиков электроэнергии разных классов точности впервые сформулированы и обоснованы требования к метрологическим характеристикам их входных измерительных преобразователей тока, в частности к допустимым угловым погрешностям последних. Разработан метод испытаний входных измерительных преобразователей тока для счетчиков непосредственного включения при испытаниях на влияние постоянной составляющей во входном токе, который заключается в замене заданного стандартом для счетчиков пульсирующего входного тока на сумму его постоянной составляющей и первой гармоники. Определены величины этих составляющих тока, что обеспечивают соответствие условий работы входных преобразователей тока при испытаниях этим методом условиям их работы при стандартных испытаниях счетчика. Показано, что измерительные преобразователи тока с электронной компенсацией погрешности мало подвержены влиянию постоянной составляющей во входном токе и, поэтому наиболее перспективны для применения в счетчиках электроэнергии непосредственного включения, обеспечивая их высокие метрологические характеристики.

Результаты работы внедрены в разработках отечественных информационно-диагностических комплексов, что позволило аттестовать их на класс точности 0,5, в измерительных преобразователях тока для испытаний судового электрооборудования на натурном стенде автономной электроэнергетической системы, при разработке методики испытаний на влияние постоянной составляющей в первичном токе и организации производства входных преобразователей тока статических счетчиков электроэнергии.

Ключевые слова: измерительный преобразователь тока, структурная схема, обратная связь, компенсация погрешности.

Varskiy G.M. Measuring transformers of current with electronic compensation of error for an electroenergy and electro-technological options. – The manuscript.

The dissertation for candidate degree in technical sciences by speciality 05.14.02 – electrical power plants, networks and systems. – Institute of Electrodynamics of National Ukrainian Academy of Sciences, Kyiv, 2007.

The dissertation is devoted to development of theory, methods of construction and methods of tests of measuring transducer of current with electronic compensation of error, that are characterized by high and stable in time metrological performance, for the control systems, electrical energy metering systems, relay protection and automation of power industry units.

The mathematical models for measuring transducer of current with electronic error compensation are developed in the thesis taking into account stray parameters of the electromagnetic system of transformer. These transducers are designed for work in steady and transient states of electrical power system. Current divider for measuring transducer is created for