Комментарии на статью “Метрологические проблемы при внедрении электронных устройств измерения тока и напряжения в высоковольтных сетях”

Yanin1 PNGЯнин Максим Анатольевич, начальник испытательного центра ЗАО «Профотек»

В современной энергетике, как и в остальных отраслях промышленности, происходит стремительное движение в сторону развития цифровых технологий, что постепенно выливается в активное создание и применение высокотехнологичных электронных устройств для управления, измерения и защиты электросетевого оборудования. И если раньше развитие происходило в совершенствовании исполнительных и вычислительных устройств, то сейчас развитие цифровых технологий в электроэнергетике вступило в такую фазу, при которой требуется применение не только вторичных микропроцессорных устройств, но и первичного оборудования, которое является источником данных для всей подстанции, в частности – электронных трансформаторов тока и напряжения.

Анализируемая статья затрагивает сразу несколько актуальных проблем создания элементной базы «цифровой подстанции» и их внедрения, рассмотрим каждую из предложенных авторами тем по отдельности, в том порядке, который предложен в статье:

  1. Проблема недостаточной проработки стандартов и их интеграции с принятой в РФ практикой испытания высоковольтного измерительного оборудования.

  2. Проблема отсутствия средств поверки трансформаторов с цифровым выходом и методик.

  3. Проблема воспроизводимости заявленных метрологических характеристик электронного трансформатора на месте установки.

  4. Проблема выбора переходного решения на пути к «цифровой подстации» и обсуждение преимуществ предлагаемого решения – комбинированного электронного трансформатора тока и напряжения iTOR.

Комментарии к данным вопросам основываются на личном опыте работы по полному циклу сертификационных испытаний электронных трансформаторов тока и напряжения с цифровым (МЭК 61850-9-2LE) и аналоговым выходами.

  1. Проблема недостаточной проработки стандартов и их интеграции с принятой в РФ практикой испытания высоковольтного измерительного оборудования.

    1. Как авторы правильно подчеркнули, наличие стандартов 60044-7 и 60044-8 вовсе не означает 100% возможность по ним работать, поскольку само по себе наложение европейских норм на нашу реальность приводит к ряду противоречий, из которых выпадение некоторых часто используемых номиналов ТТ всего лишь недоразумение, которое легко исправляется при подаче заявки на сертификацию с указанием не стандартного фиксированного ряда номиналов, а их диапазона. Основную проблему составляют высоковольтные испытания, поскольку требуемые по ГОСТ 60044-8 и 60044-7 правила приложения испытательных напряжений стандартного грозового и срезанного импульса и их величина (в частности, для 110 кВ) существенно более легкие по отношению к принятым в РФ, т.к. проводятся только в отрицательной полярности и их количество всего 15, в то время как у нас долгое время принято испытывать на сериях по 15 стандартных и срезанных импульсов обоих полярностей. То же самое относится и к испытательному напряжению – если по ГОСТ 60044 предлагается его прикладывать на одну минуту вне зависимости от изоляционной покрышки, то в наших нормах для покрышек с органической изоляцией принято значение 5 минут. Подобные разночтения имеются и в других видах испытаний. Как один из вариантов решения данной проблемы компанией Профотек при сертификационных испытаниях было принято решение о проведении полного комплекса испытаний на подтверждение соответствия наиболее жесткой версии различающихся видов испытаний, с проведением испытаний образцов сразу по обоим методикам. Данный подход более затратен, но, таким образом, обеспечивается полная совместимость с новыми и ранее действовавшими требованиями.

    2. Ряд испытаний, описанных в ГОСТах 60044-7 и 60044-8, к сожалению, не имеют однозначной трактовки результатов испытаний. В частности, серия испытаний на устойчивость ТТ к вибрации, вызванной выключателем сети или коротким замыканием, описывает как нужно испытывать, но совершенно не нормирует значения прикладываемых усилий… и тут уже каждый начинает решать для себя проблему определения наиболее вероятных усилий. Здесь, как мне кажется, наиболее правильным был бы путь выпуска свода норм расчетных параметров эксплуатации электрической сети, подготовленных уважаемой проектной организацией (например – Энергосетьпроект) исходя из многолетнего опыта проектирования подстанций и гибкими и жесткими ошиновками.

    3. К сожалению, предложенный в ГОСТах перечень испытаний не может в полной мере охватить реальные потребности в испытаниях электронных трансформаторов с учетом особенностей конструктивного исполнения. В частности, предлагаемый авторами iTOR на мой взгляд, нуждается в значительном объеме дополнительных специфических исследований в силу своих конструктивных особенностей. О предлагаемом расширении испытаний будет написано чуть ниже.

  1. Проблема отсутствия средств поверки трансформаторов с цифровым выходом и методик.

Действительно, такая проблема существует, но в последнее время она больше походит на пугалку, чем на реальную беду. Как правильно написано в статье – в региональных лабораториях ЦСМ пока нет таких средств поверки. Это правда. Но с другой стороны, ЦСМ являются тоже в большой степени коммерческими организациями и покупать прямо сейчас дорогостоящие приборы для поверки трансформаторов, срок периодической поверки которых подойдет только через несколько лет как минимум, не эффективно. Поэтому, на мой взгляд, корректнее поставить вопрос по-другому и даже разбить его на несколько частей:

А есть ли такие возможности у метрологических институтов? Обладают ли многочисленные российские производители и технические центры по обслуживанию импортных электронных трансформаторов и устройств сопряжения (MU) собственными испытательными лабораториями, оснащенными такими эталонами для целей отработки конструкции, контроля качества и первичной поверки или калибровки, в том числе – при проведении гарантийного и сервисного обслуживания? Имеется ли возможность у ЦСМ и служб эксплуатации приобрести носимые малогабаритные приборы для осуществления поверок и калибровок на месте эксплуатации к моменту окончания срока межповерочного интервала? Имеются ли методики поверки и калибровки электронных трансформаторов?

К счастью, в этом году ответы на эти вопросы гораздо более оптимистичны, чем это было ранее. В стране буквально кипит работа по созданию эталонов, в частности оба уважаемых института ВНИИМС (г.Москва) и ВНИИМ (г.Санкт-Петербург) разработали собственные подходы к решению этой проблемы. Причем, что не может не радовать – оба подхода немного различны: ВНИИМС пошел по пути создания эталонного устройства MU с сравнением цифровых потоков, а ВНИИМ – сравнения потока поверяемого прибора с эталонными оцифровками, получаемыми высокоточными быстродействующими прецизионными вольтметрами. Таким образом, у производителя есть не только возможность оценки метрологических характеристик, но и возможности их сличения по разным эталонам. Подобное сличение производилось на оптических трансформаторах тока и электронных трансформаторах напряжения производства ЗАО «Профотек» и показало весьма достойные результаты.

Ответ на второй вопрос должен давать каждый из производителей персонально, однако, могу подтвердить, что в 2013-2014 годах компания «Марс-Энерго», совместно с ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, действительно разработала такое оборудования для поверки трансформаторов тока и напряжения и два первых экземпляра успешно используются в составе установок поверки ЭТН до 220 кВ и ЭТТ (до значений токов предельной кратности) в составе собственного испытательного центра ЗАО «Профотек».

По ввозимым эталонам тоже все постепенно приходит в норму – сейчас уже есть 2-3 предложения на рынке, они пока не широкодоступны, т.к. проходят разнообразные испытания, но в течении года вопрос должен быть закрыт. Кроме того, сейчас ВНИИМС активно работает по контракту с ФСК, по которому разрабатывается ряд нормативных документов и в том числе – составляет комплект мобильной лаборатории для поверки цифровых трансформаторов и MU. Так что к окончанию этих работ (через полтора года) будет не только перечень рекомендуемых приборов, но и отработанные методики по их применению.

По наличию методик вопрос особый, с одной стороны, автор прав – методик в открытом доступе сейчас нет. Но, с другой стороны, при разработке эталонного средства измерения с ним обязательно разрабатывается и методика, которая поставляется вместе с прибором. Кроме того, не нужно забывать, что при внесении СИ в Госреестр (ныне – Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений) в комплекте с документацией на прибор предоставляется, в том числе, и методика поверки именно данного прибора. Поэтому данная проблема самоустраняется при внесении прибора в Госреестр.

  1. Проблема воспроизводимости заявленных метрологических характеристик электронного трансформатора на месте установки.

Данная проблема является главным препятствием на пути многих инновационных средств измерений и электронных трансформаторов в том числе. На мой взгляд, достаточно странно, что из всего многообразия затруднений авторов обеспокоила лишь одна из них, а именно – Проблема влияния соседних фаз и электромагнитного экранирования, поскольку ее возникновение – это лишь вопрос используемого физического принципа измерений.

Данная проблема действительно, скромно умалчивается производителями датчиков тока на эффекте Холла, катушках Роговского и даже – обычных трансформаторов. Проблема носит чрезвычайно актуальный характер, учитывая, что эффективное магнитное экранирование возможно только специальными материалами с чередующимися магнитными и диамагнитными слоями, и как следствие такой материал будет подвержен дополнительному нагреву от протекающего по контуру тока. С другой стороны, авторы статьи некорректно относят к потенциально подверженным данной напасти оптические трансформаторы тока, основанные на эффекте Фарадея (про них ошибочно написано – ячейки Фарадея). Данные трансформаторы работают на другом физическом принципе и в силу закона полного тока регистрируют только магнитное поле, производимое проводником, проходящим через замкнутый измерительный контур. Основной причиной малого числа изготовителей приборов на этом принципе, является большое количество ноу-хау в конструкции, которые производители не стремятся пускать в открытый доступ.

Учитывая, что авторы статьи являются разработчиками трансформатора iTOR, позволю себе высказать некоторые пожелания относительно проведения дополнительных испытаний этого продукта, подпадающих под скромное не до конца раскрытое в ГОСТах испытание на «влияние внешних факторов» с последующим опубликованием результатов, т.к. предлагаемый продукт является весьма привлекательным при определенных исходных требованиях:

  1. Исследование влияния внешних предметов на точность измерений? Особенно изгиба вокруг изолятора фазных проводов, металла опоры наличия вблизи них проводников соседних фаз.

  2. Испытания полными и срезанными грозовыми импульсами обоих полярностей у условиях эффективного электромагнитного экранирования от влияния соседних фаз, и как это было реализовано?

  3. Тест на термическую и динамическую стойкость, учитывая, что малогабаритные трансформаторы тока коммерческого учета с большим числом витков очень тонким проводом не вполне рассчитаны на токи К.З. линий 110кВ? Сохраняется ли работоспособность и как быстро восстанавливается точность?

  4. Испытание, при котором на одну шину совмещенного ТТ подается стандартный грозовой импульс, который проходит через ТТ и с другой стороны уходит на землю? Т.е. достаточно вероятный режим подвесного ТТ+ТН, при попадании молнии в линию? Не самоликвидируется ли низковольтный ТТ из-за мгновенного броска ЭДС самоиндукции? Успеет ли переключиться внутренняя схема электропитания или будут проблемы работоспособностью?

  5. Исследование дрейфа погрешности подвесного совмещенного ТТ+ТН при испытании длительным нагревом номинальным током. Основное тепловыделение шины ТТ в этом случае будет греть обкладки конденсатора, у которого из-за неравномерности температурного поля верхнего плеча (нагреваемого) и нижнего (в верхней части ТН, т.е. области подвеса и хорошо охлаждаемого) порядка 40 и более градусов приведет вследствие ТКЕ к большой (а вполне вероятно – и запредельной) погрешности ТН от протекающего тока.

  6. Исследование погрешности датчика напряжения при различных режимах электропитания (вопрос задан из предположения, что система питается методом, аналогичным заявленному в патенте «Устройство для измерения тока и напряжения в высоковольтной сети»): Недостаток питания электроники от трансформатора тока – это невозможность измерения напряжения в ненагруженной линии. Питание электроники от делителя напряжения (тем более высокоомного, как написано в статье) тоже проблематично, т.к. приведет к существенной потере фазовой точности (в первую очередь фазовой) при измерении напряжения.  К тому же нужно в этом случае, для снижения внешних воздействий, чтобы через делитель шел ток 30-50мА, а это уже далеко не высокоомный делитель, и как следствие – вопросы по погрешности, частотным свойствам и т.д. особенно при работе линии в режиме перетока.

Такие испытания ГОСТами, конечно, не предусмотрены, однако и конструкция предлагается совершенно не банальная, и очень хочется верить, что все эти вопросы успешно решены производителем.

  1. Проблема выбора переходного решения на пути к «цифровой подстации» и обсуждение преимуществ предлагаемого решения – комбинированного электронного трансформатора тока и напряжения iTOR.

Предложение использования на переходном этапе к цифровым подстанциям электронных трансформаторов с аналоговым выходом является очевидным, и собственно, именно по этому пути пошли все без исключения производители оптических трансформаторов: уже несколько лет внесены в Госреестр оптические трансформаторы компаний Alstom и Профотек, основными выходными интерфейсами которых являются стандартные аналоговые уровни 57.7В для напряжения и 1А для тока. Все это поверяется стандартными приборами сравнения. Хотелось бы отметить одну особенность – все без исключения трансформаторы имеют возможность работы по аналоговым токовым выходам только в коммерческих измерениях. О возможности работы токовых ЦАП на токах предельной кратности речи не идет ни у одного производителя, именно поэтому сейчас ведется большая работа по опробованию на пилотных проектах систем учета и РЗА на полностью цифровых оптических трансформаторах и терминалах релейной защиты, состыкованных непосредственно по протоколу 61850-9-2LE.

Дополнительно можно отметить, что предлагаемая схема использования основного аналогового выхода с последующей модернизацией для приведения к целевой модели цифровой подстанции путем подключения к электронному трансформатору дополнительного модуля преобразования из восстановленного аналогового сигнала в цифровой 61850 сводится к стандартной схеме использования MU на классических трансформаторах и приведет к однозначному ухудшению метрологических характеристик всего тракта. Упрощенная схема такого подхода будет выглядеть следующим образом:

КЕН

Как видно из схемы, данный подход, по отношению к классическим полностью оптическим трансформаторам, однозначно приведет к возникновению избыточных цифро-аналоговых/аналогово-цифровых преобразователей, что не только снизит надежность в целом, но и потенциально может привести к искажениям форм сигнала при анализе параметров качества, т.к. системы выдачи синхроимпульсов в ЭТ и MU будут разные (это 2 разных прибора, возможно даже разных производителей) и момент формирования отсчета в АЦП MU может при некоторых обстоятельствах совпасть с моментом обновления ЦАП ЭТ, что может сформировать некорректное представление о наличии высших гармоник в сети. Опять же – это пока лишь предположения, результаты объективного тестирования пока не представлялись.

Идея использования в узлах коммерческого учета на отпайках и порталах ЛЭП подвесных трансформаторов iTOR весьма интересна, т.к. очевидно обладает отличным соотношением ценовых и массогабаритных показателей при монтаже в стесненных условиях.

Однако, совершенно непонятно, почему из всего комплекса вопросов, поднятых в статье, и относящихся по большей части к общеотраслевым, сделан вывод о безусловном преимуществе данной технологии по отношению к всему многообразию существующих трансформаторов с другой реализацией?

Если основной мерой преимуществ идет возможность и стоимость поверок, то помимо некорректной предпосылки о необходимости трехфазной поверочной установки и ее заоблачной цене, было бы корректнее разъяснить как именно получилось, что стоимость эксплуатации подвесного трансформатора получилась ниже классических оптических трансформаторов, устанавливаемых вместо опорных изоляторов? Сразу возникает ряд вопросов:

  1. Как именно предлагается проводить поверку измерительного комплекса iTOR, подвешенного на линейном проводе ЛЭП?

    1. Как подводить к нему номинальное напряжение, если линия по условиям безопасности работ должна быть заземлена?

    2. Как поднимать на такую высоту эталонное оборудование и источники напряжения и тока?

    3. Как быть с паразитной емкостью линии, которая будет болтаться рядом даже если произвести полную расшиновку?

    4. Куда предлагается крепить отключенный на время поверки фазный трос к конструкции опоры если мы его отшинуем от iTOR? И каким образом поверителю его потом натягивать назад?

  2. Как оценивается стоимость аренды автовышки, вывода всей линии (а на ней могут быть и другие отпайки), если очевидно, что время на подобные работы будет в разы большим, чем работы в классическом виде на ОРУ?

  3. Встречный вопрос по доступности поверки предлагаемой технологии: В каком ЦСМ или метрологическом институте имеется помещение с краном достаточной высоты, чтобы поверять подвесной трансформатор хотя бы на номинальном напряжении с достаточной точностью и как они будут имитировать наличие поля от фазных проводов вокруг трансформатора?

  4. В связи с отсутствием в публичном доступе достаточно подробных описаний конструктивных особенностей i-TOR, возможно возникнет и еще масса вопросов – температурная стабильность всего устройства, отклонения параметров точности в этом диапазоне, режим электропитания и его влияние на точность измерений напряжения, потребляемая мощность, обеспечение теплового режима работы, наличие резервного питания и т.д. Очень мало данных приведено и по условиям испытаний комплекса i-TOR как по метрологическим параметрам, так и по требованиями ГОСТ.

Цифровая подстанция

(close)

 

Цифровая подстанция

(close)

Имя пользователя должно состоять по меньшей мере из 4 символов

Внимательно проверьте адрес электронной почты

Пароль должен состоять по меньшей мере из 6 символов

 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: