Средства оценки и контроля показателей качества электрической энергии

3.2. СРЕДСТВА ОЦЕНКИ И КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Белицын Игорь Владимирович, канд. пед. наук, доцент, Алтайский Государственный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ), г Барнаул. E-mail: b_i_w@mail.ru

Аннотация: рассмотрены вопросы магнитооптической системы для определения параметров магнитного поля с целью контроля показателей качества электрической энергии. Предложена структурная схема измерения магнитного поля. Рассмотрены различные физические эффекты, на основе которых возможно измерение параметров магнитного поля. Подробно рассмотрены волоконно-оптические системы на эффекте Фарадея, лишенные недостатков традиционных (электромагнитных) измерительных систем. В результате проведенного анализа достоинств и недостатков способов построения измерительной системы была разработана эффективная схема. Показана важность обоснованного выбора первичного преобразователя для оценки показателей качества электрической энергии. Окончательный выбор типа измерительного преобразователя для создания магнитооптической системы определения параметров магнитного поля основывается на точности измерений и его стоимости.

Ключевые слова: качество электрической энергии, измерительные трансформаторы, электромагнитная совместимость, информационно-измерительная система, точность измерений.

ELECTRIC ENERGY QUALITY EVALUATION AND CONTROL

INSTRUMENTS

Belitsyn Igor Vladimirovich, PhD in pedagogy, associate Professor of Polzunov Altai State Technical University, Barnaul. Е-mail: b_i_w@mail.ru

Abstract: questions examined the magneto-optical system for determining parameters of a magnetic field to control of quality indicators of electrical energy. The proposed structural scheme of measuring the magnetic field. Considered various physical effects on the basis of which it is possible to measure parameters of a magnetic field. Considered in detail the fiber optic system on the Faraday effect, devoid of the shortcomings of traditional (electromagnetic) measuring systems. In the result of the analysis of the advantages and disadvantages of the ways of measuring system design was developed an effective scheme. The importance of a reasonable choice of a primary Converter for the measurement of indicators of quality of electric energy. The final selection of the type of transmitter to create a magneto-optical system defining parameters of the magnetic field based on its accuracy and its cost.

Index terms: energy quality, instrument transformers, electromagnetic compatibility, information-measuring system, measurement accuracy.

ВВЕДЕНИЕ

Основная задача энергетического комплекса РФ состоит в снижении энергоемкости ВВП России. Задачу возможно решить, используя электрическую энергию надлежащего качества, и сокращая потери электроэнергии при её транспортировке. Это должно обеспечить выполнение указа Президента Российской Федерации (№889 от 04.06.2008 г.) «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики» - снизить к 2020 году энергоемкость ВВП России не менее чем на 40% по сравнению с уровнем 2007 года. Такая же задача сформулирована и в Энергетической стратегии России на период до 2030 года.

Обеспечение потребителей качественной электрической энергией является одним из направлений повышения эффективности функционирования как отдельных энергетических систем единой национальной энергетической системы, так и энергетического комплекса всей страны [1].

Показатели качества электрической энергии (ПКЭ) определяются государственным стандартом ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

ПКЭ определяют уровни электромагнитной совместимости (ЭМС) для индуктивных и кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения [2, 3]. К основным ПКЭ можно отнести [4]:

- размах изменения напряжения;

- длительность провала напряжения; импульсное напряжение; коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности и по нулевой последовательности.

Дать оценку показателям качества электрической энергии возможно исходя из анализа магнитного поля, которое создает вокруг себя проводник с током [3]. Для определения характеристик магнитного поля возможно использовать различные физические эффекты и законы: эффект Керра, эффект Фарадея, эффект Томсона, эффект Холла, эффект Эттингсгаузена, эффект Поккельса и т.д. [6, 7].

МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Структурная схема магнитооптической измерительной системы [8] для определения параметров магнитного поля представлена на рисунке 1.

J2 = J1 cos

2 (2) где }1 - интенсивность светового потока на входе анализатора; ф - угол между поляризатором и анализатором. В случае угла между анализатором и поляризатором равным 45°, световая мощность на фотодиоде

где P0 - мощность света, излучаемого источником без наличия измеряемого магнитного поля [11]. Выражение (2) примет вид:

1 + sin 2а

J 2 = J1

2

1 - источник оптического излучения; 2 - поляризатор; 3 - магнитооптический элемент; 4 - поляризационный разделитель (анализатор); 5 - фотодиод; 6 - микроконтроллер; 7 -индикатор

Рисунок 1. Структурная схема магнитооптической измерительной системы измерения магнитного поля

Поясним принцип работы измерительной системы. Свет, излучаемый источником оптического излучения 1, проходит через поляризатор 2, становясь плоскополяризованным. Магнитооптический элемент 3 поворачивает плоскости поляризации света на угол фарадеевского вращения а. В зависимости от величины электрического тока I, протекающего по проводнику, находящегося от магнитооптического элемента на расстояние R, создается магнитное поле с напряженностью Н [9]. Это магнитное поле совпадает по направлению со световым лучом и проходит через магнитооптический элемент. Далее в поляризационном разделителе луча 4 происходит выделение из пло-скополяризованного луча двух линейно поляризованных световых сигнала, которые ортогональны друг к другу поляризационными плоскостями. Их плоскости поляризации составляют углы -45° и +45° в плоскости поляризации светового сигнала, выходящего из магнитооптического элемента. После поляризационного разделителя световой луч попадает на фотоэлектрический преобразователь, фототок которого I зависит от интенсивности светового потока на входе фотоприемника J2 и чувствительности фотоприемника S:

1 = ^ ' ^2 . (1) Согласно закону Калюса [10] интенсивность светового потока на входе фотоприемника

P = P0

Ток после фотоэлектрического преобразователя с помощью резистора преобразуется в напряжение, для усиления которого используется операционный усилитель. Усиленное напряжение в микроконтроллере коммутируется и с помощью аналого-цифрового преобразователя поступает на микропроцессор, в котором и происходит его обработка. Полученная в результате обработки в микропроцессоре информация об измеренных величинах напряженности магнитного поля запоминается в памяти микроконтроллера и отображается с помощью жидкокристаллического индикатора. Одним из наиболее ответственных элементов измерительной системы для определения параметров магнитного поля является оптический измерительный трансформатор [12].

ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Оптические измерительные трансформаторы

NXVCT/NXCT/NXVT предназначены для установки между фазой и землей в сетях с заземленной нейтралью.

Рассчитаны на работу в классах напряжений от 69 кВ до 500 кВ с максимальным током до 4000 А при односекунд-ном токе термической стойкости 63 кА и токе динамической стойкости 170 кА.

Благодаря конструкции датчиков тока и напряжения, основанной на пассивных компонентах с использованием технологии оптических методов считывания, трансформаторы по целому ряду характеристик превосходят традиционные электромагнитные и емкостные трансформаторы.

Конструкция трансформаторов соответствует стандартам международной электротехнической комиссии, а также национальным стандартам, принятым на их основе. Возможно изготовление трансформаторов, удовлетворяющих требованиям спецификаций заказчиков.

В трансформаторах тока оптическое волокно расположено вокруг токонесущего проводника. Анализируя изменение поляризации оптического сигнала по мере того, как ток проходит через токовую головку, датчик производит высокоточное измерение тока [13].

Технология считывания напряжения основана на эффекте Поккельса [14] и связана с измерением эллиптичности поляризации, происходящей при воздействии электрического поля в нескольких датчиках, расположенных в определенных точках изоляционной колонны.

Таблица 1

Сравнение метрологических характеристик электромагнитных и оптических измерительных трансформаторов

Метрологическая характеристика Традиционные | Оптические

1. Класс точности ТТ-0^/ТН-0.2/5Р

2. Динамический диапазон в котором сохраняется класс точности ТТ (1% -120%) 1ном ТН (80% -120%) ином ТТ (0.2%-200%) I ном ТН(50%-200%)ином Перенастраиваемые пользователем коэффициенты трансформации по току и напряжению.

3. Ширина полосы пропускания Не нормируется. Емкостные ТН имеют значительную неравномерность амплитудно-частотной характеристики, вызванную наличием компенсирующего реактора [15]. Частотная характеристика электромагнитных ТН имеет резонансные пики в области частот 1000-1600 Гц. Линейность амплитудно-частотной характеристики в диапазоне от 30 Гц до 5 кГц позволяет осуществить контроль качества электрической энергии с возможностью оценки до 100 гармонических составляющих напряжения и тока в высоковольтных цепях. Сравнительные частотные характеристики трансформаторов приведены на рисунке 2.

4. Требования по точности измерения гармонических составляющих для систем измерения Не нормируется Нормируется в соответствии со стандартами 1ЕС 60044-7 и I ЕС 60044-8 Гармоники: По току По углу 2-4 2% 2° 5-6 4% 4° 7-9 8% 8° 11-13 16% 16°

5. Требования по точности измерения гармонических составляющих для систем защиты Не нормируется Нормируется в соответствии со стандартами 1ЕС 60044-7 и I ЕС 60044-8 Гармоники: По току По углу 1/3 (16.7-20 Гц) 10% 10° ° 2-5 10% 10°

б.Погрешности токовых трансформаторов, связанные с изменением первичного тока и нелинейностью амплитудной характеристики В области малых токов (1раб <20% 1ном) статические погрешности ТТ в зависимости от условий эксплуатации, могут достигать от десятых долей процента до единиц процентов Погрешности вторичных цепей нормируются величиной 0.25%. Погрешности трансформаторов обусловленные несбалансированностью нагрузки могут достигать значения 0.2%.

7. Погрешности, связанные с характеристиками вторичных нагрузок трансформаторов и вторичных цепей тока и напряжения. Амплитудная характеристика линейна в диапазоне токов (0.2%-200%) 1ном. На рисунке 3 приведены амплитудные и угловые характеристики оптического трансформаторов тока. На рисунке 4 приведены точностные характеристики трансформатора напряжения. Для оптических трансформаторов длина вторичных цепей ограничена расстоянием от комплекта электроники до панели учета. Наличие цифрового интерфейса в трансформаторах устраняет потери, связанные с дополнительными погрешностями вторичных цепей и влияния вторичных нагрузок на точностные характеристики трансформаторов.

8. Дополнительные погрешности измерений Повышенный тангенс угла диэлектрических потерь и ухудшенные переходные характеристики емкостных ТН. Погрешность 10% вторичного напряжения, вызванная остаточным уровнем при внезапных КЗ в первичной сети в течение одного периода промышленной частоты. Минимальное воздействие на линию вследствие отсутствия потерь в трансформаторах. Обеспечивают улучшенную переходную характеристику, обусловленную расширенным динамическим диапазоном и полосой пропускания.

1 - традиционный трансформатор; 2 - оптический трансформатор Рисунок 2. Сравнительные частотные характеристики.

100

Ток

Рисунок 3. Погрешность измерений оптического трансформатора тока в диапазоне токов 1А-3000А

Рисунок 5. Сравнение переходных характеристик оптического трансформатора тока и напряжения на эталонном резистивном шунте.

Типовые испытания показывают способность оптического трансформатора тока измерять большие токи короткого замыкания [16]. Оптический датчик трансформатора, испытанный с

полностью смещенным в положительную область токовым сигналом, обеспечивает линейность в сравнении с высокоточным резистивным шунтом лучше, чем 2%.

Эксплуатационные характеристики

Таблица 2

Метрологическая характеристика Традиционные Оптические

1. Надежность Срок службы традиционных трансформаторов составляет 30 лет. Измерительные трансформаторы являются одним из наиболее проблемных устройств высоковольтных подстанций. Срок службы 30 лет. Отсутствие активных электронных компонентов в высоковольтных датчиках тока и напряжения сводит к минимуму вероятность выхода оборудования из строя. Электроника трансформаторов отличается высокой надежностью и не требует обслуживания.

2. Безопасность, взрыво- и пожаро-безопасность При размыкании вторичной цепи ТТ на выводах трансформатора могут генерироваться напряжения, значительно превышающие номинальные значения [17]. Заполнена азотом изоляционная колонна комбинированного трансформатора безопасна для персонала и размещенного рядом оборудования.

Маслонаполненные трансформаторы относят к категории наиболее опасного оборудования из-за большого количества масла, находящегося в контакте с высоковольтными элементами. Конструкция ТТ имеет сплошной тип изолятора не содержащего масла и газа.

На рисунке 6 показана конструкция комбинированного оптического трансформатора.

3. Условия эксплуатации У1/УХЛ1 Диапазон рабочих от -50°С до +55°С. Высокая сейсмоустойчивость 0^, обусловленная легкостью конструкции, проверена на виброиспытаниях и в процессе эксплуатации;

4. Обслуживание в период эксплуатации а) Периодический контроль уровня и температуры масла, газосодержания и влагосодержания, проверка отсутствия течей. Контроль состояния системы охлаждения. а) Отсутствие масла позволяет избежать сложных процедур обслуживания.

б) Проверка диэлектрических потерь (1§6) и исследование проб масла, измерение сопротивления изоляции вторичных обмоток. б) Полимерный изолятор не требует очистки в течении всего срока службы.

в) Встроенная самодиагностика позволяет локально или удаленно следить за состоянием и режимами работы трансформаторов. Превентивная диагностика, основанная на построении трендов состояния наиболее жизненно важных компонентов трансформатора, позволяет оценить фактическое состояние оборудования и спрогнозировать время возможного отказа.

в) Взятие проб масла для проведения газохроматографиче-ского анализа и оценки его состояния. г) Трансформаторы допускают полную аппаратную резервируемость электронных блоков в условиях эксплуатации без проведения процедуры калибровки.

Рисунок 6. Конструкция изоляционной колонны комбинированного трансформатора.

Рисунок 7. Конструкция первичных выводов.

Конструкция первичных выводов допускает различные варианты подключения к высоковольтной шине. На рисунке 7 приведены варианты конструкций первичных выводов. Выводы имеют малый вес и связанное с этим сокращение затрат на погрузочно-разгрузочные работы, уменьшение фундамента и объема стальной арматуры ячейки. Рисунок 8 показывает мас-согабаритные показатели некоторых трансформаторов на класс напряжения 220 кВ.

Использование комбинированных измерительных трансформаторов позволяет сократить количество ячеек на подстанции и уменьшить погрешности измерений, связанных с фактором различного территориального расположения отдельных ТТ и ТН точки учета.

Стоимость комбинированного трансформатора на 30% меньше по сравнению с суммарной стоимостью трансформатора тока и напряжения.

Высота, и

65 кг 901) кг 1020 кг 1100 кг Вес

Рисунок 8. Сравнител ьные массогабаритные характеристики трансформаторов тока.

ВЫВОДЫ

Использование метода двух выходных лучей с выхода анализатора - поляризационного разделителя светового луча -позволяет осуществлять температурную компенсацию, что в итоге повышает точность измерений.

Вместе с тем применение программируемого микроконтроллера обеспечивает коррекцию и других влияющих факторов, вносящих погрешность, с помощью программных методов. Использование микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора и устройства записи позволяет расширить функциональные возможности измерительной системы, т. е. обеспечить обработку, хранение, запись и отображение информации об измеряемой величине напряженности магнитного поля.

Использование оптических трансформаторов позволяет из-за отсутствия феррорезонанса измерять гармонические составляющие до сотого порядка, подключить неограниченное число потребителей измерительной информации для их обеспечения высокоточными результатами измерений. Также необходимо отметить повышение безопасности персонала во время работы со вторичными цепями.

Статья проверена программой «Антиплагиат». Оригинальность 87,15%.

Список литературы:

1. Дубицкий, М.А. Качество электрической энергии / М.А. Дубицкий, Е.А. Сухарева// Вестник ИрГТУ . - 2015. - №4 (99). - С. 152-157.

2. Белицын, И. В. Качество электрической энергии, проблемы нормативной базы / И. В. Белицын // Международная научно-практическая конференция «Прикладные и теоретические исследования». - Самара, ЦНИК «Наука и просвещение», 2017. - С 24-27

3. Белицын, И. В. Методы и способы уменьшения несимметрии напряжения воздушной линии электропередачи / И. В. Белицын // Международная научно-практическая конференция «Прикладные и теоретические исследования». - Самара, ЦНИК «Наука и просвещение», 2017. - С. 27-30

4. Dubitsky M.A. RELIABILITY OF ENERGY SYSTEMS. Reliability: Theory & Applications. Elektronic journal of international group on reliability. ISSN 1932-2321. Vol. 8. № 3, issue of September' 2013.

5. Belitsyn I.V. Method of quality improving of electric energy by changing the topology of wires connection on overhead power transmission lines / I.V. Belitsyn S.O. Khomutov// International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 12, Number 3 (2017) pp. 376-381

6. Гонда, С. Оптоэлектроника в вопросах и ответах : пер. с япон. / С. Гонда, Д. Сэко. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1989. - 184 с.

7. Рандошкин, В. В. Прикладная магнитооптика / В. В. Рандошкин, А. Я. Червоненкис. - М.: Энергоатомиз- дат, 1990 г.

8. Белицын, И. В. Мониторинг магнитного поля воздушных линий электропередач на основе ИИС блочно-модульной конструкции / И. В. Белицын // Ползуновский вестник. - 2011. - № 2/2. - С. 56-65.

9. Белицын, И. В. Эллиптическое электрическое и магнитное поле электроустановок и метод их расчета / И. В. Белицын, А.В.Макаров, Б.С. Компанеец, Р. С. Старухин // Естественные и технические науки. № 6.2006- С. 188-191.

10. Гуртовцев, А. Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройство, характеристики / А. Л. Гуртовцев // Новости электротехники. - 2009. - № 5. - С. 36-38.

11. Ураксеев, М.А. Современные магнитооптические системы для измерения напряженности магнитного поля / М. А. Ураксеев, А. И. Мухаметзянова // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2013. - № 2. - С. 131-135

12. Кувшинов Г. Е. Современные направления развития измерительных преобразователей тока для релейной защиты и автоматики : мо-ногр. / Г. Е. Кувшинов, Д. Б. Соловьев. - Владивосток : РИО Владивосток. фил. Рос. таможен. акад., 2012. - С. 316.

13. Levina T.M. Methods of controlling spark and explosion-proof sensors on the CDU / T.M. Levina, Y. Zharinov // Abstracts collection on new challenges in the European area. - Baku, 2013. - Р. 53-055.

14. Данилов, А. Современные промышленные датчики тока / А. Данилов // Современная электроника. - 2004. - № 10. - С. 26-35.

15. Белицын, И. В. Метод расчета параметров эллиптических полей для выполнения требований нормативных документов / И. В. Белицын, Б.С. Компанеец, Р. С. Старухин // Наука и молодежь 2007: Материалы IV всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: Изд-во АтТУ, 2007. - С. 45-47.

16. Ричардс, С. (AREVA T&D, Великобритания), Д. Шатрефу (AREVA T&D, Франция), Д. Толомье (AREVA T&D, Канада), Ф. Жиль (AREVA T&D, Франция). Нетрадиционные решения по измерительным трансформаторам — практика применения шин обработки данных IEC 61850-9.2 // Современные направ- ления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем : c6. докл. Междунар. науч.-техн. конф., Москва, 7-10 сен- тября 2009 г. - М. : Науч.-инж. информ. агентство, 2009. - С. 282-291.

17. Белицын, И. В. Эллиптическое электрическое и магнитное поля электроустановок. Метод их расчета и нормирования / И. В. Белицын, Т. В. Котырло, А. В. Макаров // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 312. - № 4. Энергетика. С. 61-65.