Анализ условий работы измерительных трансформаторов и исследование влияний воздействующих факторов на точностные характеристики трансформаторов в энергосистемах

В настоящее время доля электроэнергии в себестоимости промышленной продукции неуклонно возрастает. Если в конце восьмидесятых годов доля электроэнергии в себестоимости промышленной продукции составляла несколько процентов, то в настоящее время доля электроэнергии в машиностроении превышает 20%, а в энергоемких производствах достигает 60% и выше.

Существующие системы учета электроэнергии не обеспечивают требуемой в условиях рыночных отношений точности учета, так как они создавались в основном десятки лет назад, когда электроэнергия не являлась товаром и на точность ее учета не обращалось должного внимания.

Большие погрешности измерений электроэнергии и мощности приводят к нерациональному использованию пропускной способности линий электропередач, резервов мощности на электростанциях, затрудняют контроль режимов работы сетей и приводят к финансовым потерям производителей и поставщиков электроэнергии. Недостаточная точность измерений обусловлена рядом недостатков существующих систем учета электроэнергии, поскольку измерительные комплексы (ИК) на энергообъектах создавались ранее, а также создаются и в настоящее время по типовым проектам, разработанным еще в 70−80-х годах XX века, в которых не предусматривались решения для обеспечения высокой точности ИК.

В ИК входят трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), в основном электромагнитные, счетчики электрической энергии и цепи связи между ними. Погрешности существующих ИК нередко превышают 5 — 10%, что недопустимо в современных условиях. Погрешности измерительных трансформаторов (ИТ) вносят значительный вклад в общую погрешность РЖ, причем при малой загрузке по току погрешности ТТ могут в несколько раз превышать погрешности всех остальных элементов ИК.

Для обеспечения требуемой точности ИК необходимо знание погрешностей ИТ в реальных условиях их эксплуатации, выявление и устранение причин нарушений правил применения ИТ при их эксплуатации.

В настоящее время при измерениях электроэнергии на большинстве энергообъектов не учитывают реальные погрешности ИТ, поскольку они, как правило, неизвестны и при расчете погрешностей ИК погрешности ИТ учитываются только как случайные, хотя ряд из них являются систематическими. Это приводит к недостоверной оценке погрешности ИК.

В условиях эксплуатации в энергосистемах на характеристики погрешности ИТ в общем случае влияют параметры первичной сети: ток, напряжение, частота, мощность вторичной нагрузки, коэффициент мощности вторичной нагрузки, а также внешние факторы: температура окружающего воздуха, вибрация и другие, которые могут приводить к увеличению погрешности ИК.

Из-за конструктивных особенностей ТТ зависимости погрешностей от первичного тока и мощности вторичной нагрузки носят нелинейный характер и имеют разброс даже для ТТ одного типа.

При выпуске ИТ из производства во время приемо-сдаточных испытаний, погрешности определяются в нормированных диапазонах первичных токов, напряжений, мощности вторичной нагрузки и coscp вторичной нагрузки согласно стандартов на ТТ и ТН, однако в эксплуатации нередко ИТ работают в условиях, для которых погрешности не нормированы.

В настоящее время, практически отсутствует информация о погрешностях ТТ в следующих случаях:

— при мощности вторичной нагрузки больше номинальной;

— при токах, менее 5% номинального первичного тока для ТТ классов точности 0,5 и 1, а также при токах, больших 120% номинального первичного тока для ТТ всех классов точности;

— при работе ТТ на вторичную нагрузку с коэффициентом мощности (coscp), не соответствующим требованиям нормативной документации.

Также практически отсутствует информация о погрешностях ТН в следующих случаях:

— при первичном напряжении, выходящем за диапазон, допускаемый ГОСТ 1983;2001 для измерительных ТН;

— при работе ТН на нагрузку с coscp, не соответствующим требованиям нормативной документации.

Практически не исследовано влияние на метрологические характеристики ИТ температуры окружающего воздуха, частоты сети переменного тока, вибрационных нагрузок и транспортной тряски.

В диссертации Комковой Е. В. «Повышение точности учета электроэнергии» (2002 г.) подробно рассматривалось влияние внешних факторов на погрешности счетчиков электрической энергии на энергообъектах.

В настоящей работе исследовано влияние внешних факторов на точностные характеристики ИТ, работающих на электростанциях и электроэнергетических системах.

Метрологические характеристики ТТ и ТН могут быть повышены технологическим путем — изменением конструктивных параметров ИТ, применением новых марок электротехнической стали и других специальных сплавов, что приводит к удорожанию трансформаторов. Зарубежные производители идут по пути уменьшения мощности вторичной нагрузки трансформаторов, за счет чего уменьшаются погрешности ТТ и ТН. За счет уменьшения номинальной мощности вторичной нагрузки и уровня испытательных напряжений зарубежные ИТ имеют меньшие габариты и вес по сравнению с отечественными ИТ.

Цель работы.

Целью работы является анализ условий работы в энергосистемах электромагнитных ИТ и исследование их влияния на погрешности ИК для учета электроэнергииразработка *мероприятий по повышению точности учета.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: а) анализ и классификация факторов, влияющих на погрешности ИТб) аналитические исследования влияния условий работы ИТ на их погрешностив) разработка методов и проведение экспериментальных исследований зависимостей погрешностей ИТ от условий работыг) анализ влияния погрешностей ИТ на погрешность ИКд) разработка рекомендаций по повышению точности учета электроэнергии.

Методы исследования.

При решении поставленных задач в работе использованы системный подход к проблеме, методы статистической обработки данных, аналитические и экспериментальные методы исследований ИТ. Научная новизна работы.

1 Классификация и статистический анализ влияющих факторов по степени их влияния на погрешности ТТ и ТН.

2 Результаты расчетов и аналитических исследований зависимости погрешностей ИТ от условий их работы.

3 Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа метрологических характеристик ТТ при влиянии первичного тока, мощности вторичной нагрузки, coscp вторичной нагрузки, остаточного намагничивания, температуры окружающего воздуха, вибрации и транспортирования.

4 Методы и результаты экспериментальных исследований и анализа метрологических характеристик ТН при влиянии первичного напряжения, мощности нагрузки, costp нагрузки, температуры окружающего воздуха, вибрации и транспортирования.

5 Формулы для расчета влияния систематических погрешностей ИТ на погрешность ИК.

Практическая значимость работы.

Проведенные аналитические и экспериментальные исследования погрешностей ИТ позволяют оценивать их точностные характеристики в реальных условиях эксплуатации при различных влияющих факторах, что дает возможность более точного коммерческого и технического учета электроэнергии.

Полученная классификация внешних влияющих факторов по степени влияния на погрешности ИТ позволяет определить значащие и малозначащие влияющие факторы.

Полученные зависимости погрешностей ИТ от влияющих факторов позволяют путем учета систематических погрешностей ИТ повысить точность ИК для измерений электроэнергии в энергосистемах.

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы при разработке ИТ в ОАО «СЗТТ», г. Екатеринбург и при разработке нормативных документов по измерениям и учету электроэнергии в ОАО «ВНИИЭ», г. Москва.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Классификация действующих на энергообъектах влияющих факторов по степени влияния на метрологические характеристики ИТ позволяет при определении погрешности ИК для учета электроэнергии не принимать во внимание ряд определенных в настоящей работе малозначащих влияющих факторов (температура, частота сети, вибрация, воздействие транспортирования).

2 На основании полученных зависимостей погрешностей ИТ от влияющих факторов установлено, что погрешности ИТ имеют, как правило, систематический характерсистематические погрешности для каждого типа и исполнения ИТ носят индивидуальный характер.

3 Угловые погрешности ТТ при малых первичных токах могут вносить наибольший вклад в погрешность ИК.

4 Применение для магнитопровода ТТ аморфного или нанокристалли-ческого сплава позволяет уменьшить погрешности ТТ до 5−10 раз в области малого — вплоть до 0,5 — 1% номинального первичного тока и получить класс точности 0,2S и 0,5S при номинальном коэффициенте безопасности приборов менее 10.

5 Рекомендации по повышению точности учета электроэнергии, в частности путем применения ТТ классов точности 0,2S и 0,5S и ТН класса точности 0,1.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: первой, второй, третьей и четвертой научно-практических конференциях «Метрология электрических измерений в электроэнергетике», (г. Москва, 2001, 2002, 2003 и 2004 гг.) — симпозиуме «Электротехника 2010» (г. Москва, 2001 г.) — втором международном науч.-техн. семинаре «Современные методы и средства расчета, нормирования и снижения технических и коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях», (г. Москва, 2002 г.) и на третьей международной научно-технической конференции-выставке «Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях -2004» (г. Москва, 2004 г.).

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ (см. прилагаемый список).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 30 рисунков, 60 таблиц, а также 5 приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 197 страниц.

Выводы:

1. Недоучет активной электроэнергии у потребителя, вызванный систематическими погрешностями ИТ возможен при идеальном случае чисто активной нагрузки контролируемого присоединения, а при активно-индуктивной нагрузке возможен переучет активной электроэнергии;

2. При малых первичных токах положительная угловая погрешность ТТ может приводить к положительной погрешности трансформаторной схемы подключения счетчика 5е для активной энергии, превышающей в несколько раз токовую погрешность ТТ и погрешность напряжения ТН;

3. При расчете допустимой относительной погрешности измерительного комплекса, входящей в формулу допустимого небаланса необходимо учитывать реальные погрешности применяемых ИТ, коэффициент мощности и характер нагрузки контролируемого присоединения;

4. При замене ТТ с магнитопроводами из электротехнической стали на ТТ классов точности 0,5S и 0,2S с магнитопроводами из нанокристалличе-ских или аморфных сплавов погрешность ИК уменьшается в несколько раз и практически не зависит от влияния первичного тока и токов КЗ в первичной цепи;

5. Для активно-индуктивной нагрузки контролируемого присоединения положительная угловая погрешность ТТ при малых первичных токах приводит к завышенному значению коэффициента мощности контролируемого присоединения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного анализа условий работы ИТ и исследования влияний воздействующих факторов сформулированы основные выводы по работе:

1 Существующие нормативные документы по учету электроэнергии нуждаются в переработке с учетом систематических погрешностей ИТ, угловых погрешностей ИТ и применения ТТ классов точности 0,5S и 0,2S.

2 Разработанная классификация внешних воздействующих факторов на погрешность ИТ позволяет установить ряд малозначащих факторов (частота сети, температура, вибрации и др.), которые при расчете погрешности ИК можно не учитывать.

3 Погрешность ИК должна определяться с учетом реальных погрешностей используемых ИТ, так как погрешности каждого ИТ индивидуальны и имеют разброс даже для ИТ одного типа и одного исполнения.

4 Степень воздействия внешних факторов на погрешности ИТ зависит от электромагнитных и конструктивных параметров ИТ.

5 При первичных токах менее 20% 1ш положительная угловая погрешность ТТ может приводить к положительной погрешности 5о, которая может превышать токовую погрешность ТТ 5i и погрешность напряжения ТН 5и в несколько раз и может приводить к положительной погрешности ИК.

6 При определении коэффициента мощности контролируемого присоединения необходимо учитывать влияние угловых погрешностей ИТ.

7 В настоящее время, как показали результаты исследований в диссертации, для уменьшения погрешности ИК наиболее эффективен технологический путь повышения точности применением ТТ классов точности 0,5S и 0,2S с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов и ТН класса точности 0,1, что можно обеспечить на серийных ТН с минимальными доработками конструкции.