Измерительные преобразователи больших переменных токов в электроэнергетике

Актуальность темы

Развитие электроэнергетики на современном этапе сопровождается увеличением значений рабочих напряжений и токов. Это требует переоснащения парка измерительных приборов устройствами с более совершенными принципами измерения.

В системе мероприятий по экономии и рациональному использованию энергоресурсов особо важное место занимают вопросы повышения точности и расширения диапазона измерения токов. Это связано, например, с установлением оптимальных режимов работы оборудования и ведения технологических процессов.

Получение информации о больших токах связано с особыми трудностями, поскольку их непосредственное измерение невозможно. Это предполагает использование промежуточных устройств — измерительных преобразователей (ИП), задачей которых является представление информации в наиболее удобном для использования (в данном случае — измерения) виде.

Точность получения информации и объем выполнения требуемых задач (в частности задач по экономии энергоресурсов) в значительной степени определяется уровнем погрешностей, диапазоном измерения и другими характеристиками ИП, что делает актуальным поиск путей дальнейшего совершенствования этих устройств, тем более что известные решения часто не дают желаемых результатов.

Решению этих проблем посвящены работы Болотина И. Б., Андреева Ю. А., Абрамзона Г. В., Лейтмана Н. Б., Семенко Н. Г., Гамазова Ю.А.

Несмотря на значительное количество работ в этой области, необходимо отметить два важных момента. Во-первых, большинство работ выполнены довольно давно и не соответствуют современному уровню развития измерительной техники, а во-вторых, состояние системы метрологического обеспечения является в общем не удовлетворительно в масштабах нашей страны. Это связано с трудностями поверки измерительных трансформаторов, что приводит к тому, что многие устройства не поверяются многие годы. Кроме этого, такие трансформаторы морально устарели, имеют большие массогабаритные характеристики, не разъемную конструкцию и сдерживают развитие современных автоматизированных систем.

Таким образом, учитывая современные требования по экономии и рациональному использованию энергоресурсов, необходимость повышения точности измерения больших переменных токов и трудность решения этой задачи с помощью известных методов, можно сделать вывод об актуальности поиска новых способов преобразования больших переменных токов.

Целью диссертационной работы является совершенствование принципов построения средств измерения больших переменных токов для улучшения технико-экономических показателей устройств при их использовании в электроэнергетике.

Поставленная цель определила основные задачи исследования.

1. Анализ современных решений, связанных с измерениями больших переменных токов (БПТ) в электроэнергетике.

2. Совершенствование измерительных трансформаторов тока.

3. Исследование пояса Роговского на предмет измерения БПТ в электроэнергетике.

4. Разработка переносной конструкции пояса. Определение его погрешностей и путей их снижения.

5. Совершенствование принципов постороения аналоговых и цифровых интеграторов напряжения.

6. Разработка цифрового интегрирующего измерителя действующего значения.

Методы исследований базировались на теории электрических цепей, теории электромагнитного поля. Применялись класические разделы математического анализа. Проверка основных выводов проводилась посредством компьютерных экспериментов.

Работа проводилась на цикле «ТОЭ и ОЭ» кафедры «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета, научный руководитель — д.т.н., профессор Казаков М.К.

Структура диссертации. В первой главе проведен обзор работ, посвященных измерительным преобразователям больших переменных токов, сформулированы и отмечены достоинства и недостатки известных преобразователей.

Во второй главе проводится исследование пояса Роговского на предмет измерения БПТ в электроэнергетике и оценки его погрешности, с целью ее снижения, при использовании переносной конструкции. Определены пути снижения методических погрешностей. Предложен способ повышения точности измерения и способ повышения надежности пояса, основанные на выполнении обмотки из спиральных катушек (СК).

Третья глава посвящена интеграторам напряжения. Интегратор является важным узлом измерительного преобразователя больших переменных токов на основе пояса Роговского. Проведен анализ известных способов и схем интегрирования. Разработаны новые способы коррекции нулевого уровня и новые схемы интеграторов, имеющие лучшие метрологические характеристики по сравнению с известными. Рассмотрен цифровой интегирующий измеритель напряжения.

Четвертая глава посвящена измерительным трансформаторам тока (ИТТ). Разработаны схемы компенсационных трансформаторов тока, позволяющие снизить погрешности ИТТ за счет использования двух ступеней трансформации. Предложен новый путь снижения погрешности преобразования — формирование сигнала, пропорционального сумме токов ветви намагничивания и вторичной цепи (коррекционный трансформатор тока).

В пятой главе проведено исследование инструментальных погрешностей измерительного преобразователя тока на основе пояса Роговского, цифрового интегрирующего измерителя, реализованного численными методами, и аналогового интегратора напряжения.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Предложен способ повышения точности измерения тока с помощью пояса Роговского, заключающийся в выполнение обмотки в виде последовательно соединенных спиральных катушек.

2. Разработан способ повышения надежности пояса Роговского на основе использования спиральных катушек, позволяющий создать разъемную конструкцию, что важно для переносных устройств.

3. Предложен способ интегрирования аналогового напряжения позволяющий повысить точность выполнения этой операции.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Показана возможность применения пояса Роговского для измерения больших переменных токов в электроэнергетике без разрыва токопровода.

2. Исследованы погрешности измерения тока с помощью пояса Роговского и предложены пути их снижения.

3. Предложена конструкция пояса Роговского в виде последовательно соединеных калиброванных датчиков, которая позволяет проводить, измерения на токопроводах различного сечения.

4. Предложены пути совершенствования измерительных трансформаторов индукционного типа на основе использования двухступенчатой трансформации и создания коррекционного трансформатора.

5. Проведен анализ погрешностей измерения тока при использовании измерительного преобразователя тока (ИНТ) на основе пояса Роговского, что позволило разработать несколько вариантов конструкций пояса Роговского для использования в различных цепях.

6. Предложены схемы аналоговых интеграторов, позволяющие повысить точность интегрирования.

7. Рассмотрен алгоритм цифрового интегрирующего измерителя действующего значения, реализованного численными методами.

8. Предложена новая технология изготовления обмоток низкочастотных трансформаторов тока, в частности — пояса Роговского, на основе использования печатного монтажа.

Реализация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Ульяновского государственного технического университета с 1999 по 2004 гг., на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2001 г.), на 4-ой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городстком хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2003 г.). Результаты исследований использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы «Исследование режимов электроснабжения постоянных, переменных токов при создании измерительных устройств на базе современных достижений микроэлектроники» (отчет по НИР, номер госудорственной регистрации № 1 960 008 652, Ульяновск, 2000 г.).

Результаты диссертационной работы использованы в ЗАО «Контактор» (г.Ульяновск) и ОП «Барышские электрические сети» (Ульяновская обл., г. Барыш) для измерения больших переменных токов промышленной частоты.

По результатам выполненых исследований опубликовано 28 печатных работ, в том числе 8 патентов на изобретения, 9 патентов (свидетельств) на полезную модель и одна публикация в центральной печати.

5.6. Выводы.

Проведен анализ общей погрешности пояса Роговского. Результаты показали, что погрешность может составить не более 0,02% при соотношении радиуса пояса и размера витка Ьл=0,06- относительном смещении 5 <0,1- относительном удалении не менее 5С/Я=16. Предложена новая технология изготовления низкочастотных трансформаторов с использованием способа выполнения спиральной катушки на основе печатного монтажа. Это позволяет выполнять обмотку пояса Роговского из большего количества спиральных катушек по сравнению с известными конструкциями. При серийном изготовлении ИПТ такой способ упрощает технологию выполнения обмоток. Определено, что точность аппаратной части цифрового интегрирующего измерителя, реализованного численными методами, определяется параметрами АЦП, а именно его разрядностью и частотой преобразования. К примеру, при использовании 12 — разрядного, погрешность измерителя составляет 0,14%, а при использовании 16 — разрядного — 0,01%. Выполнен анализ погрешности программной части измерителя с помощью пакета программ Ма&САЭ 2001. Результаты анализа показали, что погрешность зависит от соотношения частоты преобразования АЦП и входного сигнала. При обработке входного сигнала промышленной частоты и частоте преобразования АЦП 20 кГц погрешность составляет 0,01%.

Определены коэффициенты влияния отклонений параметров каждого из элементов активного аналогового интегратора на его АЧХ и ФЧХ. Это позволило выбрать допуски на параметры элементов для снижения погрешностей интегратора.

Определена причина высокой систематической погрешности активного аналогового интегратора (ААИ), предложен путь ее снижения. Предложена схема ААИ с использованием повторителя напряжения, позволяющая снизить погрешность интегратора.

Результаты исследований инструментальных погрешностей измерительного преобразователя тока показали, что преобразователь на основе пояса Роговского можно использовать для измерения больших переменных токов в электроэнергетике без разрыва токопровода. Причем цифровой интегрирующий измеритель можно применять в автоматизированных системах взамен приборов измеряющих действующее значение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проблема измерения больших переменных токов остается актуальной на протяжении многих десятилетий. При этом возникают задачи повышения точности измерений и улучшения технико-экономических показателей устройств для измерения больших переменных токов, что вытекает в свою очередь в совершенствование принципов построения средств измерений. Представленные в диссертации материалы позволяют сделать вывод о достижении поставленной цели, что выражается в получении следующих основных результатов.

1. Проведен анализ состояния проблемы измерения больших переменных токов в электроэнергетике, рассмотрены принципы измерения токов, указаны их достоинства и недостатки, что позволило выбрать направление исследований.

2. Предложены решения по совершенствованию широко используемых в электроэнергетике измерительных трансформаторов тока, что позволило повысить точность его измерения. Предложен, в частности, новое решение по снижению погрешности за счет формирования сигнала, пропорционального току намагничивания, что нашло выражение в разработке коррекционного трансформатора тока.

3. Проведен анализ погрешностей измерения тока с помощью пояса Роговского с учетом реальных размеров витка, что позволило использовать полученные результаты для: разработки измерительных преобразователей тока (Hill) с относительно малым отношением радиусов витка обмотки и пояса Роговскогосоздания переносных конструкций ИПТрассмотрения путей снижения погрешностей измерения.

4. Предложен способ повышения точности измерения ИПТ на основе пояса Роговского, основанный на выполнении обмотки из последовательно соединенных спиральных катушек (CK), позволяющий исключить погрешность от наклона витка обмотки, исключить намотку в навал и обеспечить заданное количество витков обмотки, уменьшить длину намоточного провода.

5. Предложен способ повышения надежности ИПТ на основе пояса Роговского, который позволяет выполнить пояс на эластичном каркасе, и повысить технологичность изготовления пояса. Даны рекомендации по размещению вит-ковых секторов на общем каркасе, и по выполнению соединения между ними.

6. Предложено выполнять пояс Роговского круглой формы из последовательно соединенных калиброванных участков по длине и количеству витков, что позволяет использовать пояс для измерения токов протекающих по токопро-водам различных размеров. Даны рекомендации по выполнению калиброванных участков и пояса.

7. Предложены схемы аналоговых интеграторов напряжения, позволяющие повысить точность интегрирования переменного напряжения в режиме длительного интегрирования.

8. Рассмотрен способ коррекции аддитивной погрешности интеграторов изменением направления интегрирования напряжения смещения для источников сигналов с изменяемой полярностью (пояс Роговского), а также с неизменяемой полярностью.

9. Предложен способ выборочного интервального интегрирования, позволяющий снизить погрешность от интегрирования входных токов и напряжения смещения используемого операционного усилителя.

10. Предложен вариант выполнения цифрового интегрирующего измерителя, выполняющего операцию интегрирования, который позволяет проводить индикацию и регистрацию действующего значения выходного сигнала. Измеритель может быть выполнен как переносной образцовый, с возможностью использования в автоматизированных системах.

11. Проведен анализ общей погрешности пояса Роговского. Результаты показали, что погрешность может составить не более 0,02% при соотношении радиуса пояса и размера витка Ья = 0,06- относительном смещении 5 < 0,1- относительном удалении не менее 5ст=16.

12.Исследования показали, что ИПТ на основе пояса Роговского можно использовать для прецизионных измерений тока в электроэнергетике, в частности токов промышленной частоты, как основу для создания ИПТ класса 0,2 и ниже.