Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9

Вид материала

Доклад

Содержание 2. Опыт применения и метрологического обслуживания ИС Захаров В.А.

Подобный материал:

• Вопросы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для подготовки, 69.28kb.
• Организационной основой метрологического обеспечения ОАО «Теплоприбор» является Центр, 31.48kb.
• Совершенствование метрологического обеспечения инклинометрии нефтегазовых скважин 25., 254.4kb.
• Решение IX семинара по вопросам метрологического обеспечения топографо-геодезического, 201.85kb.
• Эталонный комплекс для метрологического обеспечения акустических измерений в твердом, 58.45kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «Измерительная техника», 40.7kb.
• Методика приемки из наладки в эксплуатацию измерительных каналов информационно-измерительных, 235.63kb.
• Отдел метрологического обеспечения измерений физико-химических величин, 18.17kb.
• Рабочая программа дисциплины мерительные устройства систем управления, 448.87kb.
• Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных, 675kb.

2. Опыт применения и метрологического обслуживания ИС

Котельников Е.В., Коровкин Р.В.

Измерения нагрузочных характеристик
и режимов работы вторичных цепей
учета электроэнергии в условиях эксплуатации
на московской железной дороге

В настоящее время большая часть измерительных трансформаторов тока (ТТ), применяемых в цепях учета электроэнергии на тяговых подстанциях Московской железной дороги (МЖД) выработала свой ресурс. Поэтому была произведена практически полная замена индукционных счетчиков электроэнергии на микропроцессорные, которым в настоящее время отдаётся предпочтение. Отличительной особенностью микропроцессорных счетчиков является высокая чувствительность (2 – 5 мА).

Расчеты по утвержденным методикам показали, что при коэффициенте мощности 0,8 нагрузки, ряд установленных на тяговых подстанциях ТТ не удовлетворяет техническим требованиям к цепям учета электроэнергии. Кроме того, на точность измерений существенно влияют всевозможные наводки в токовых цепях.

Поэтому, при модернизации АСКУЭ на МЖД было принято решение заменить старые ТТ на новые, повышенного класса точности (0,2S) и выполнить вторичные цепи учета электроэнергии (как токовые цепи, так и цепи напряжения) экранированными проводами, снижающими влияние наводок в цепях.

Вместе с тем эти технические решения являются весьма дорогостоящими, поскольку требуют значительных трудозатрат, расхода материально технических ресурсов и перерыва в электроснабжении потребителей. Причем их использование было принято без должного технико-экономического обоснования научных исследований и сравнения возможных методов решения этих проблем.

Именно эти задачи являются одной из основных функций подразделений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии, как независимого эксперта в области производства сложных и точных электрических измерений в условиях эксплуатации.

Только результаты измерений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии позволяют сделать официально признаваемое заключение о метрологических характеристиках цепей учета электроэнергии как при номинальных параметрах, так и в конкретных условиях эксплуатации и, таким образом, сделать правильное заключение об их пригодности для коммерческих целей. Также Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии имеет исключительное право на метрологическую экспертизу проектных решений.

Настоящая работа посвящена изучению напряжений, индуцированных во вторичных цепях учета электроэнергии и их влиянию на метрологические характеристики цепей учета электроэнергии, а также коэффициента мощности нагрузки токовых цепей учета электроэнергии, использующихся на тяговых подстанциях МЖД в цепях с изолированной нейтралью. При этом изучены основные схемы подключения двухэлементных счетчиков в условиях эксплуатации и особенности поверки ТТ при фактической нагрузке.

В результате работы получены не только эксплуатационные характеристики цепей учета электроэнергии, но и разработаны рекомендации по проведению измерений метрологических характеристик токовых цепей учета электроэнергии при фактической нагрузке, а также предложены рекомендации по подключению двухэлементных счетчиков электроэнергии в сетях с изолированной нейтралью, стабилизирующие метрологические характеристики токовых цепей учета и позволяющие выполнить поверку ТТ при фактической нагрузке с помощью оборудования, имеющегося в распоряжении метрологических служб.

Как правило, на тяговых подстанциях постоянного тока, общее количество которых составляет 149 из 159, учет электроэнергии установлен на стороне средних и низких напряжений понижающих трансформаторов (6, 10, 35 кВ). Эти элементы схемы тяговых подстанций относятся к классу цепей с изолированной нейтралью. Также к этому классу за редким исключением относятся схемы собственных нужд подстанции, на которых смонтированы счетчики ТСН, СЦБ а также железнодорожных нетяговых потребителей и ряда субабонентов железной дороги, питающихся от сетей, напряжением ниже 1000 В. Учет по стороне высоких напряжений (110 кВ) в настоящее время внедрен в коммерческую эксплуатацию лишь на тяговой подстанции Домодедово. В связи с этим, для учета электроэнергии на тяговых подстанциях постоянного тока наиболее широкое применение нашла схема Арона.

Стандартная схема подключения двухэлементных счетчиков приведена на рис. 1. При её использовании для подключения счетчиков к ТТ используются три провода. Также три провода используется для подключения цепей напряжения. Таким образом, при подключении счетчика к измерительным трансформаторам, используется 6 проводов.



Рис. 1. Типовая схема включения счётчика по схеме Арона

Особенность стандартной схемы подключения заключается в том, что по общему проводу протекает ток фазы В. То есть, при симметричной нагрузке, ток в общем проводе равен току фазы ТТ, а фазовый угол между токами в соединительных кабелях составляет 120. При этом эквивалентная пассивная нагрузка ТТ принимает комплексные значения, даже если пренебречь реактивным сопротивлением соединительных проводов, и в общем случае зависит от соотношения между токами в фазах. Далее эта схема будет упоминаться как схема 1.

В ряде случаев имеет место разновидность стандартной схемы (рис.2), встречающейся в эксплуатации, если в ходе монтажных работ заземляются разноименные клеммы вторичных обмоток ТТ, установленных на разных фазах. При этом, в общем проводе протекает ток в 1,73 раза больший, чем ток ТТ при симметричной нагрузке, а фазовый угол составляет не 120, а 150. Также как и в первом случае, эквивалентная пассивная нагрузка ТТ принимает комплексные значения, даже если пренебречь реактивным сопротивлением соединительных проводов, и в общем случае зависит от соотношения между токами в фазах. Далее эта схема будет упоминаться как схема 2.

Для учета электроэнергии в цепях до 1000 В с помощью двухэлементных счетчиков, в ряде случаев применяется схема (рис. 3), при которой подключение каждого из ТТ выполняется двумя отдельными проводами, а для подключения цепей напряжения к шинам используются токовые цепи и один дополнительный провод для необорудованной ТТ фазы. Таким образом, для подключения счетчика учета электроэнергии используется 5 проводов.



Рис. 2. Схема включения счётчика по схеме Арона
при исправлении ошибки в монтаже на этапе пусконаладочных работ



Рис. 3. Часто встречающийся вариант присоединения счётчиков
по схеме Арона в сетях до 1000 В.

Эта схема не соответствует требованиям ПУЭ, поскольку при ее использовании невозможно заземление одной из клемм каждого из ТТ. Кроме того, имеют место дополнительные потери в цепях напряжения трансформатора. Однако нагрузка ТТ, если пренебречь реактивным сопротивлением соединительных проводов является чисто активной и значение сопротивления подключенного к ТТ не зависит от соотношения токов в фазах. В силу несоответствия требованиям ПУЭ. Далее эта схема рассматриваться не будет.

Также для учета электроэнергии в сетях с изолированной нейтралью используются и трехэлементные счетчики отечественного производства (рис. 4). При этом также используется шестипроводная схема подключения, практически идентичная схеме 1 и имеющая все её достоинства и недостатки. Следует отметить, что при использовании этой схемы её вариант в виде схемы 2 невозможен. Далее эта схема будет упоминаться как схема 3. При этом с точки зрения нагрузки ТТ, если пренебречь сопротивлением счетчика, эта схема ничем не отличается от схемы 1.



Рис. 4. Стандартная схема включения трехэлементного счётчика
по схеме Арона

На большинстве тяговых подстанций Мытищинской дистанции электроснабжения для учета расхода электроэнергии в цепях с изолированной нейтралью используются трехэлементные счетчики Евро-Альфа (EA05RLP1B4). Эти счетчики отличаются от отечественных расширенным диапазоном допустимых напряжений. Поэтому они подключены к измерительным ТТ по схеме, приведенной на рис. 5. На схеме 5 перемычка между фазами 2 и 5 клеммами счетчика не несет метрологическую нагрузку и необходима для устранения сигнализации о потере фазы напряжения и соответствующей отметки в журнале событий. При такой схеме включения трехэлементный счетчик работает аналогично двухэлементному и, поэтому допускает применение схемы, аналогичной схеме 2.



Рис. 5. Схема включения трёхэлементного счётчика ЕвроАльфа
по схеме Арона

Таким образом, чтобы получить исчерпывающее представление о нагрузочных характеристиках токовых цепей, достаточно исследовать схему 1 и схему 2.

Микропроцессорные счетчики являются неотъемлемым элементом цепи учета электроэнергии. При этом в технической документации отсутствуют сведения о параметрах токовых цепей счетчиков. Поэтому эксплуатационные характеристики сопротивления токовых цепей этих счетчиков представляют определенный интерес.

На тяговых подстанциях МЖД получили широкое распространение следующие микропроцессорные счетчики: Альфа, Альфа-Плюс, ЕвроАльфа, СЭТ. Кроме того, в сетевых районах МЖД в настоящее время массово устанавливаются счетчики ПСЧ.

Результаты измерений сопротивления токовых цепей счетчиков по постоянному и переменному току приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип счетчика	№ счетчика	Фаза А			Фаза В			Фаза С
		R	Ra	Ri	R	Ra	Ri	R	Ra	Ri
EA10RL P3С3	01081062	<0,01	<0,001	<0,001	-	-	-	<0,01	<0,001	<0,001
A1R-30L-C4T	01021812	<0,01	<0,001	<0,001	-	-	-	<0,01	<0,001	<0,001
СЭТ4-ТМ01.0	0000777	<0,01	<0,001	<0,001	<0,01	<0,001	<0,001	<0,01	<0,001	<0,001
ПСЧ-4ТМ05.04		<0,01	<0,001	<0,001	<0,01	<0,001	<0,001	<0,01	<0,001	<0,001
Обозначения: R – сопротивление токовых цепей счетчика постоянному току, Ом Ra – активное сопротивление токовых цепей счетчика переменному току, Ом Ri – индуктивное сопротивление токовых цепей счетчика переменному току, Ом

Cледует также отметить, что конструктивное выполнение фазы токовых цепей счетчиков Альфа и Альфа-Плюс не зависит от класса точности, типа и номинального тока счетчика.

Анализ результатов показывает, что сопротивление токовых цепей электронных счетчиков пренебрежимо мало, не зависит от типа счетчика в пределах точности измерений и может не учитываться при проектных расчетах и дальнейших исследованиях.

В отличие от предыдущей редакции, ГОСТ 8.217-2003 [1] содержит положение, позволяющее проводить поверку измерительных ТТ при фактической нагрузке (п. 5.4). В частности, это допустимо при отсутствии нагрузочного устройства, сопротивление которого определено с погрешностью, не превышающей ± 4 %.

Однако это положение содержит существенное противоречие. Действительно, в практике поверки достаточно часто встречается ситуация, когда при фактической нагрузке ТТ имеет удовлетворяющие нормативным требованиям метрологические характеристики, тогда как при номинальной нагрузке они выходят за допустимые пределы. При близком расположении счетчика и ТТ, когда сопротивление нагрузки мало, возможно и обратное – ТТ, имеющий приемлемые метрологические характеристики при номинальной нагрузке, не обеспечивает требуемый класс точности в конкретных условиях эксплуатации.

Поэтому, правильнее было бы поверять ТТ в заводских условиях при номинальной нагрузке, а в условиях эксплуатации – при фактической. Это позволило бы устранить имеющиеся в вышеупомянутом стандарте противоречия и гарантировать необходимую точность измерений потребляемой электроэнергии на конкретном присоединении. При этом на поверителя целесообразно возложить также право пломбировки токовых цепей, что позволит осуществлять поверку без привлечения инспекторов Энергосбыта, причем, для безусловного соблюдения положений закона “Об обеспечении единства измерений” [2], это право целесообразно сделать исключительным.

В настоящее время для поверки ТТ и измерения параметров цепей вторичных нагрузок наиболее широко в практике поверки используется приборы сравнения КТ-01, КНТ-03 производства ООО “ТМЕ”, г. Екатеринбург.

Принципиальной особенностью этих средств измерений является измерений метрологических характеристик ТТ лишь в одной фазе.

Рассмотрим возможность ее применения для поверки ТТ, подключаемых к счетчику по схеме Арона (схема 1) в условиях эксплуатации при фактической нагрузке.

Известно, что эквивалентная пассивная нагрузка ТТ при типовой трехпроводной схеме его подключения является комплексной величиной, значения как активной, так и реактивной составляющей которой зависят от соотношения нагрузок фаз, в которых установлены ТТ.

Таким образом, при выборе эквивалентной нагрузки ТТ в этом случае для каждого присоединения необходимо определить:

– взаимное отклонение токов как по модулю, так и по фазе.

– тестовое значение сопротивления исходя из этих отклонений,

– подобрать соответствующее сопротивление, которое отличается от тестового не более, чем на 4 % как по активной, так и по реактивной его составляющей.

Очевидно, что решение этих вспомогательных задач по трудоемкости и времени значительно превышает трудоемкость поверки при номинальной нагрузке, что позволяет сделать вывод, о недостаточной применимости этой установки для поверки ТТ, входящих в состав узла учета электроэнергии, использующего схему Арона при типовом трехпроводном (схема 1) их подключении к счетчику, при фактической нагрузке.

Аналогичная проблема возникает и при определении параметров токовых цепей (S, cos(), Z).

Следует отметить, что наличие трехфазного блока сравнения не намного бы упростило упомянутую проблему, поскольку в этом также необходимо было бы определять:

– взаимное отклонение токов как по модулю, так и по фазе;

– тестовое значение токов плеч питания, исходя из этих отклонений.

Таким образом, на основании проведенного анализа можно утверждать, что при использующихся в настоящее время трехпроводных схемах подключения ТТ к счетчикам учета электроэнергии, реализующих схему Арона в сетях с изолированной нейтралью, производить поверку ТТ при фактической нагрузке и измерять параметры вторичных цепей с практической точки зрения не представляется возможным.

Выше показано, что подключение счетчиков учета электроэнергии к ТТ по схеме Арона с использованием типовой трехпроводной схемы имеет следующие существенные недостатки:

– нагрузочные характеристики токовых цепей как по сопротивлению, так и по коэффициенту мощности зависят от соотношения токов в фазах, оборудованных ТТ;

– схема 2, образуемая из типовой схемы 1, в результате монтажной ошибки подключения вторичных кабелей к измерительным обмоткам ТТ и её исправления в процессе наладки без отключения потребителей, обладает значительно большим эквивалентным сопротивлением;

– близкий к минимально-расчетному (cos=0,8) коэффициент мощности, что ухудшает метрологические характеристики ТТ;

– существенные отличия нагрузочных характеристик токовых цепей от расчетных;

– недопустимая сложность поверки ТТ при фактической нагрузке, практически исключающая её применение.

Поэтому совершенствование способов подключения счетчиков, позволяющее устранить перечисленные недостатки, является актуальной задачей с практической точки зрения.

Эти проблемы могут быть устранены путем подключения счетчиков к ТТ по четырехпроводной схеме 6.

При этом по проводам, соединяющим счетчик с соответствующим ТТ, протекает только ток этого ТТ, что обеспечивает:

– стабильность нагрузочных характеристик токовых цепей и независимость их от тока других фаз.

– невозможность ухудшения нагрузочных характеристик на этапе пусконаладочных работ, аналогичного переходу со схемы 1 на схему 2.

– возможность поверки ТТ при фактической нагрузке с использованием существующего измерительного оборудования и стандартных схем его включения приведенных в инструкции по эксплуатации на эти устройства. Это в ряде случаев позволит продлить срок службы действующего оборудования.

Применение предлагаемой схемы является ограниченным. Так её невозможно использовать при подключении по схеме Арона трехэлементных счетчиков с номинальным напряжением 100 В.

Вместе с тем она применима при подключении по этой схеме трехэлементных электронных счетчиков ЕвроАльфа, поскольку эти счетчики допускают подачу на фазу счетчика линейного напряжения с ТН.



Рис. 6. Четырехпроводная схема подключения счётчиков к ТТ
по схеме Арона

Недостаток предлагаемой схемы, заключающийся в необходимости использовать дополнительный провод, применительно к тяговым подстанциям МЖД является кажущимся, поскольку токовые цепи учета электроэнергии на них выполнены кабелями, имеющими не менее 4-х жил по крайней мере от клеммника, расположенного в непосредственной близости от ТТ до испытательной коробки счетчика.

Таким образом, внедрение предлагаемой схемы не потребует дополнительных затрат, за исключением участка кабеля от этого клеммника или заменяющей его испытательной коробки до ТТ в случаях, когда резервная жила при монтаже была обрезана.

Проведение измерения на тяговых подстанциях МЖД и в лабораторных условиях, изучение схем учёта электроэнергии в сетях с изолированной нейтралью, методов проведения проверки ТТ в условиях эксплуатации, и регламентирующих её нормативных документов, а также последующий их анализ позволил сделать следующие основные выводы:

1. Применяемые на МЖД узлы учёта электроэнергии в подавляющем числе случаев используют схему Арона с подключением счётчиков к измерительным ТТ с помощью 3-х проводов. Сопротивление и коэффициент мощности цепи нагрузки ТТ изменяются и существенно зависят от соотношения действующих значений токов в ТТ, установленных на разных фазах присоединения и угла сдвига фаз между ними. Кроме того, при ошибках в монтаже и исправлении их непосредственно на счётчике без отключения нагрузки, возможно значительное увеличение эквивалентного пассивного сопротивления этих цепей по сравнению с расчётным его значением, использующимся при проектировании.

2. Трёхпроводное подключение ТТ к счётчику учёта электроэнергии не позволяет производить поверку ТТ при фактической нагрузке в условиях эксплуатации.

3. Сопротивление токовых цепей электронных счётчиков электроэнергии, использующихся на МЖД, пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением соединительных проводов.

4. Предложено использовать четырёхпроводное подключение двухэлементных счётчиков к измерительным ТТ. Использование этой схемы позволяет устранить обусловленную этим фактором нестабильность нагрузки ТТ и обеспечить практически равный единице её коэффициент мощности. По этой схеме можно подключать также трёхэлементные счётчики ЕвроАльфа. Её применение позволяет проводить поверку измерительных ТТ при фактической нагрузке в условиях эксплуатации.

5. Наводки во вторичных цепях ТТ, обусловленные влиянием силовых цепей, незначительны. Возникающие при этом токи не превышают порога чувствительности счётчика ЕвроАльфа. Поэтому выполнение подключения счётчиков учёта электроэнергии к ТТ экранированными кабелями нецелесообразно.

Литература

1. ГОСТ 8.217-2003 ГСИ. Трансформаторы тока. Методика поверки

2. Закон РФ №4871–1 “Об обеспечении единства измерений” от 23 апреля 1993 г.

Авторы

Котельников Евгений Владимирович, начальник лаборатории №447, ФГУ “Ростест-Москва”

Тел. 332-97-32, факс. 332-97-32

E-mail: evgenivk@rostest.ru


Коровкин Роман Владимирович, инженер ФГУ “Ростест-Москва”

Россия, 117418, Москва, Нахимовский пр-т, 31 www.rostest.ru

Тел. 332-97-32, факс. 332-97-32

E-mail: evgenivk@rostest.ru


Россия, 117418, Москва, Нахимовский пр-т, 31 www.rostest.ru

Захаров В.А.