УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ДЛЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
DEVICE FOR CALIBRATION OF POWER MEASUREMENT SYSTEM FOR POWER TRANSFORMERS

Данное изобретение относится к устройству для калибровки системы измерения мощности для силовых трансформаторов.
При использовании силовых трансформаторов в сети энергоснабжения минимизация теряемой мощности является чрезвычайно важным критерием. Теряемая мощность, которая проявляется, например, в потерях при холостом ходе или коротком замыкании, является величиной, зависимой от конструкции и/или технологии изготовления, и потому контролируется во время так называемого измерения теряемой мощности при обычном и/или типовом испытании силовых трансформаторов согласно стандарту международной электротехнической комиссии (IEC) 60076-1 или стандарту института инженеров по электронике и электротехнике (IEEE) С57.12.90-1999. Величина теряемой мощности сказывается для поставщика электроэнергии непосредственно в виде издержек и потому при продаже несоответствующего силового трансформатора на изготовителя налагается штраф. По этой причине теряемая мощность при покупке силового трансформатора должна определяться как можно более точно. Ввиду этого каждая лаборатория высоковольтных испытаний для силовых трансформаторов имеет в своем распоряжении так называемую систему измерения мощности, которая должна быть откалибрована, для того чтобы при помощи системы измерения мощности определять и как можно более точно измерять теряемую мощность силового трансформатора. Кроме того, калибровка подобной системы измерения мощности предписана стандартом международной электротехнической комиссии (IEC) 60060-2.
Подобные известные из уровня техники системы измерения мощности включают в себя в качестве компонентов: источник тока и напряжения, преобразователь напряжения, преобразователь тока, испытуемый объект, а именно силовой трансформатор, и устройство оценки. Для того чтобы при помощи системы измерения мощности обеспечивать достаточно точные данные измерений, должны калиброваться, в частности, преобразователь тока, преобразователь напряжения и устройство оценки. При этом обычная практика заключается в том, чтобы эти указанные компоненты системы измерения мощности, то есть преобразователь тока, преобразователь напряжений и устройство оценки, подвергать отдельной калибровке, которая отнимает много времени, связана с большими расходами и имеет свою специфику для отдельных компонентов. Для этого отдельные компоненты: преобразователь тока, преобразователь напряжений и устройство оценки должны извлекаться из системы измерения мощности и отсылаться соответствующему изготовителю оборудования, чтобы он мог откалибровать свой соответствующий отдельный компонент. Затем после того как отдельные компоненты были подвергнуты отдельной калибровке, система измерения мощности может снова комплектоваться, то есть собираться. Погрешность измерения всей системы измерения мощности вычисляется или обобщается на последующем этапе путем расчета на основании погрешностей измерений откалиброванных изготовителем отдельных компонентов для всей системы измерения мощности.
Для отдельной калибровки отдельных компонентов системы измерения мощности в уровне техники используется так называемая система контрольного измерения. В системе контрольного измерения определяемые или калибруемые электрические параметры стандартизованы в соответствии с известными для потребителя значениями, которые представляют собой контрольные значения. То есть другими словами система контрольного измерения служит в качестве эталонной системы с известными для потребителя электрическими выходными значениями при установленных входных значениях. На фиг. 1 изображена структурная схема известной из уровня техники системы контрольного измерения для калибровки преобразователя напряжения. Для этого система контрольного измерения имеет трансформатор 1 высокого напряжения в качестве источника напряжения, который при помощи соединительных проводов находится в электрическом соединении с преобразователем 2 контрольного напряжения. В свою очередь преобразователь 2 контрольного напряжения при помощи измерительного кабеля 3 электрически соединен с устройством 4 оценки контрольных результатов. Кроме того, от трансформатора 1 высокого напряжения также запитывается электричеством собственно калибруемый объект, а именно преобразователь 5 напряжения и устройство 7 оценки, которые расположены возле трансформатора 1 высокого напряжения в электрически симметричном расположении относительно преобразователя 2 контрольного напряжения и устройства 4 оценки контрольных результатов.
На Фиг. 2 показана структурная схема другой, известной из уровня техники системы контрольного измерения для калибровки преобразователя тока. Для этого в качестве источника тока предусмотрен сильноточный трансформатор 8, который при помощи сильноточной цепи электрически соединен с преобразователем 9 контрольного тока, к которому со своей стороны в свою очередь при помощи контрольного измерительного кабеля 10 подключено устройство 11 оценки контрольных результатов. Будучи симметрично к ним расположены, к сильноточной цепи сильноточного трансформатора 8 также подключены непосредственно калибруемые компоненты, а именно преобразователь 12 тока, который при помощи измерительного кабеля 13 соединен с устройством 14 оценки.
В обеих изображенных на фиг. 1 и 2 системах контрольного измерения происходит сопоставление заданных и действительных значений между определенными физическим величинами или, соответственно, их значениями системы контрольного измерения по сравнению с отдельными компонентами, которые должны калиброваться. Таким образом, например, в системе контрольного измерения согласно фиг. 1 происходит сопоставление значений, определенных в преобразователе 2 контрольного напряжения и устройстве 4 оценки контрольных результатов, со значениями калибруемого объекта, то есть преобразователя 5 напряжения и устройства 7 оценки - в каждом случае, в том числе, принимая во внимание их соответствующие измерительные кабели 3 и 6.
В итоге известная из уровня техники структура контрольных систем для калибровки отдельных компонентов является тем самым слишком трудоемкой. С одной стороны, необходимы различные с технической точки зрения системы контрольного измерения, с другой стороны, преобразователи тока и преобразователи напряжения в качестве отдельных компонентов должны для калибровки отправляться соответствующему изготовителю.
Поэтому задача данного изобретения состоит в предоставлении устройства для калибровки системы измерения мощности для силовых трансформаторов, благодаря которому отпадает необходимость в использовании различных систем контрольного измерения для калибровки отдельных компонентов: преобразователя тока, преобразователя напряжения и устройства оценки системы измерения мощности, ив отправке компонентов изготовителю для их отдельной калибровки.
Эта задача решается с помощью предмета независимого пункта формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к наиболее предпочтительным усовершенствованным вариантам изобретения.
Обобщенная идея изобретения заключается в том, чтобы обе известные из уровня техники системы контрольного измерения для калибровки преобразователя тока, преобразователя напряжения и устройства оценки интегрировать в соответствующее изобретению единое устройство для калибровки системы измерения мощности для силовых трансформаторов, которое помимо этого расположено в контейнере таким образом, что при помощи трейлера, на котором установлен контейнер, обеспечивается возможность перемещения устройства для калибровки на месте системы измерения мощности силовых трансформаторов. Таким образом, согласно изобретению мобильный контейнер оснащен заранее полностью установленным устройством для калибровки системы измерения мощности. Установленное в контейнере соответствующее изобретению устройство обеспечивает возможность в качестве калибровки системы осуществлять калибровку всей системы измерения мощности, во время которой может проверяться или калиброваться точность калибровки отдельных компонентов, а также влияние подводящих проводов между отдельными компонентами, а также и алгоритм оценки устройства оценки. Тем самым достигается более высокая точность калибровки по сравнению с калибровкой отдельных компонентов.
Также отдельные компоненты соответствующего изобретению устройства не должны специально подготавливаться для калибровки системы измерения мощности, наоборот калибруемая система измерения мощности должна лишь подключаться к соответствующему изобретению устройству. Таким образом, калибруемые компоненты системы измерения мощности, а именно преобразователь тока, преобразователь напряжения и устройство оценки, также должны калиброваться всего лишь при помощи одного соответствующего изобретению устройства. Преобразователь тока и преобразователь напряжения больше не должны, как это характерно для уровня техники, подвергаться отдельной калибровке соответствующим изготовителем, наоборот они могут совместно калиброваться на месте при помощи лишь одного единственного соответствующего изобретению устройства во время происходящего одновременно процесса калибровки. До сих пор калибровка на месте при помощи известных из уровня техники отдельных систем калибровки не была экономически оправданной, так как эти отдельные системы калибровки в каждом случае должны были бы устанавливаться в собственном контейнере, включая собственный трейлер. Таким образом, были бы необходимы два контейнера, включая трейлеры вместе с тягачами, для того чтобы была возможность проводить калибровку компонентов. Только интеграция обеих известных до сих пор в уровне техники отдельных систем контрольного измерения в соответствующее изобретению единое устройство, которое располагается в контейнере, делает калибровку на месте системы измерения мощности экономически рентабельной альтернативой для пользователя испытательной станции. Также с технической точки зрения до сих пор было бы невозможно, отдельные системы калибровки в известном из уровня техники конструктивном исполнении просто устанавливать в один единственный, общий контейнер, так как необходимые диэлектрические расстояния между соответствующими компонентами соответствующей системы калибровки были бы в данном случае не достаточно безопасными. Теперь это возможно впервые при помощи соответствующего изобретению устройства.
Кроме того, оказалось, что соответствующее изобретению устройство обеспечивает значительно более точное по сравнению с уровнем техники определение теряемой мощности силового трансформатора, так как исключается используемое до сих пор расчетное определение погрешности измерений из погрешностей измерений отдельных компонентов. Это происходит потому, что было обнаружено, что на результат измерения в системе измерения мощности или, соответственно, системе контрольного измерения во время калибровки компонентов влияние оказывают, в частности, измерительные провода между преобразователями тока или, соответственно, напряжения и соответствующим устройством вывода, а также алгоритм оценки в устройстве оценки, который устанавливает фазовый угол между измеренными электрическими величинами и на основании таких величин, как ток, напряжение и фазовый угол, определяет мощность. Тем самым соответствующее изобретению устройство обеспечивает точность измерения, которая значительно выше по сравнению с отдельной калибровкой компонентов системы измерения мощности при помощи известных отдельных систем контрольного измерения и следующей за калибровкой экстраполяцией погрешности измерения на всю систему измерения мощности. Также данные измерений компонентов зачастую регистрировались вручную и сводились в протоколе калибровки для всей системы измерения мощности; тем самым погрешность измерения компонентов заносилась в протокол калибровки всей системы измерения мощности, что, в конечном счете, сказывается на точности результатов измерений системы измерения мощности.
Далее изобретение разъясняется еще более подробно при помощи примеров осуществления с использованием описанных чертежей, на которых показано:
фиг. 1 - блок-схема системы контрольного измерения согласно уровню техники для калибровки преобразователя напряжения;
фиг. 2 - блок-схема системы контрольного измерения согласно уровню техники для калибровки преобразователя тока;
фиг. 3 - схематичная блок-схема первого варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для калибровки системы измерения мощности силового трансформатора;
фиг. 4 - схематичная блок-схема другого варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для измерения мощности силового трансформатора.
На фиг. 3 показана схематичная блок-схема первого варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для калибровки системы измерения мощности силового трансформатора на виде сверху на контейнер 30. Говоря о контейнере 30, речь может идти, например, о распространенном стандартном контейнере длиной 12192 мм (40 футов), который совместим с трейлером вместе с тягачом и тем самым может перемещаться. В качестве источника напряжения служит расположенный в задней области контейнера 30 трансформатор 31 высокого напряжения, который предоставляет в распоряжение необходимое испытательное напряжение до 100 кВ для соответствующего изобретению устройства. При помощи электрического провода преобразователь 32 контрольного напряжения соединен с трансформатором 31 высокого напряжения. Преобразователь 32 контрольного напряжения, который преобразует входное напряжение в известное для пользователя испытательной станции выходное напряжение, в свою очередь, электрически соединен при помощи сильноточной цепи 33 как с сильноточным трансформатором 34, который предоставляет в распоряжение максимальный испытательный ток в 2 кА, так и с преобразователем 35 контрольного тока, который со своей стороны снова преобразует входной ток в выходной ток, известный для пользователя испытательной станции. Кроме того, устройство 36 оценки контрольных результатов в каждом случае при помощи контрольного измерительного кабеля 37.1 и 37.2 находится в электрическом соединении как с преобразователем 32 контрольного напряжения, так и с преобразователем 35 контрольного тока. Устройство 36 оценки контрольных результатов, которое также нормировано под известные для пользователя электрические параметры, принимает при измерении мощности сигналы преобразователя 32 контрольного напряжения и преобразователя 35 контрольного тока и рассчитывает из них активную мощность Р, полную мощность S, частоту f и фазовый угол между приложенным током и приложенным напряжением. Дополнительно при помощи устройства 36 оценки контрольных результатов может анализироваться содержание высших гармоник синусоидальных величин. Наиболее широко распространенным устройством 36 оценки контрольных результатов для измерения мощности является устройство YOKOGAWA WT3000. В соответствующем изобретению устройстве в сильноточной цепи 33 также включены калибруемые компоненты системы измерения мощности, а именно преобразователь 38 напряжения, преобразователь 39 тока и устройство 40 оценки. Устройство 40 оценки, будучи также симметрично расположено к устройствам контрольных измерений, в каждом случае при помощи измерительного кабеля 41.1 и 41.2 также находится в электрическом соединении как с преобразователем 38 напряжения, так и с преобразователем 39 тока. При этом устройство 36 оценки контрольных результатов, а также калибруемое устройство 40 оценки, будучи расположены внутри контейнера 30, находятся в электромагнитно экранированной операторной 42, для того чтобы была обеспечена точность измерения соответствующего изобретению устройства. При этом преобразователь 38 напряжения и преобразователь 39 тока наиболее просто можно размещать внутри контейнера 30 при помощи дверцы 43, которая предусмотрена в боковой стенке контейнера 30 и выполнена предпочтительно двустворчатой. Кроме того, оказалось, что благодаря размещению всех компонентов системы внутри контейнера 30 достигается дальнейшее улучшение точности измерения соответствующего изобретению устройства, так как за счет кондиционирования контейнера 30 для всех установленных компонентов системы преобладают одинаковые климатические условия.
В отличие от фиг. 3 на фиг. 4 преобразователь 38 напряжения и преобразователь 39 тока могут размещаться снаружи контейнера 30 при помощи удлиняемого сильноточного соединения 44. В этом варианте осуществления расположенное также снаружи контейнера 30 устройство 40 оценки в каждом случае при помощи измерительного кабеля 41.1 и 41.2 также находится в электрическом соединении как с преобразователем 38 напряжения, так и с преобразователем 39 тока. Связь между устройством 36 оценки контрольных результатов и калибруемым устройством 40 оценки осуществляется в данном случае при помощи линии 45 передачи данных, например в виде соединения с дистанционным управлением.
Из книги "Техника высокого напряжения" Андреаса Кюхлера, издательства "Springer", 2005 года известны преобразователи тока и напряжения, которые могут использоваться в рамках данного изобретения.
Такой известный из уровня техники емкостный преобразователь напряжения всегда подключается к проводу под напряжением. Говоря точнее, к проводу под напряжением подключаются два соединенных последовательно конденсатора. При этом конденсатор низкого напряжения в нижнем корпусе соединяется с потенциалом земли. Конденсатор высокого напряжения расположен в отдельной, изолирующей, опорной трубке и отделяет потенциал высокого напряжения в верхнем корпусе от потенциала земли нижнего корпуса. Верхний корпус, в котором происходит соединение между проводом и конденсатором высокого напряжения, также находится на потенциале высокого напряжения. Из соотношения обоих конденсаторов, а также из измеренного напряжения на конденсаторе низкого напряжения можно определять напряжение на проводе под напряжением.
Для определения тока в большинстве случаев используются индуктивные преобразователи тока. При этом вокруг провода под напряжением расположен закрытый кольцеобразный железный сердечник, вокруг которого намотана обмотка, в которой индуцируется ток, как только ток проходит через провод. Шунтирующее сопротивление соединено с обмоткой последовательно. Благодаря измерению тока на шунтирующем сопротивлении может определяться ток провода. Корпус устройства разделен на три части. Верхний корпус окружает провод под напряжением и соединен с нижним корпусом при помощи изолирующей опорной трубки. Верхний корпус находится на потенциале высокого напряжения, в то время как нижний корпус находится на потенциале земли.
Список ссылочных позиций
1 Трансформатор высокого напряжения
2 Преобразователь контрольного напряжения
3 Контрольный измерительный кабель
4 Устройство оценки контрольных результатов
5 Преобразователь напряжения
6 Измерительный кабель
7 Устройство оценки
8 Сильноточный трансформатор
9 Преобразователь контрольного тока
10 Контрольный измерительный кабель
11 Устройство оценки контрольных результатов
12 Преобразователь тока
13 Измерительный кабель
14 Устройство оценки
30 Контейнер
31 Трансформатор высокого напряжения
32 Преобразователь контрольного напряжения
33 Сильноточная цепь
34 Сильноточный трансформатор
35 Преобразователь контрольного тока
36 Устройство оценки контрольных результатов
37.1 и 37.2 Контрольный измерительный кабель
38 Преобразователь напряжения
39 Преобразователь тока
40 Устройство оценки
41.1 и 41.2 Измерительный кабель
42 Операторная
43 Дверца
44 Удлиняемое сильноточное соединение
45 Линия передачи данных