Метрологические проблемы при внедрении электронных устройств измерения тока и напряжения в высоковольтных сетях

В настоящее время на российском рынке высоковольтной аппаратуры представлены и активно продвигаются оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения. Самые известный производитель этого вида продукции - «NxtPhase T&D» (концерн «Alstom»). Уже давно ведутся расчеты, разработки, исследования. Опубликованы сотни научных и практических трудов по электронным и/или оптическим трансформаторам тока и напряжения. Первые промышленные образцы электронных трансформаторов встали в работу в зарубежных электросетях уже в конце восьмидесятых годов прошлого века, в России – в середине двухтысячных.

В 2010 году разработку электронных трансформаторов напряжения и тока оригинальной конструкции начали и уральские инженеры [1], и уже в начале своей деятельности разработчики столкнулись с метрологическими проблемами внедрения электронных трансформаторов в существующие системы измерения, учета электроэнергии и защиты.

Насколько сложно внести в Государственный реестр средств измерений, и в дальнейшем повсеместно внедрять новые типы оптических и электронных трансформаторов? Рассмотрим по порядку.

Стандарты для электронных и/или оптических трансформаторов

С 1999 по 2002 год в Европе были разработаны и приняты стандарты МЭК 60044-7 и МЭК 60044-8 на электронные трансформаторы напряжения и тока соответственно. В России в 2010 году утверждаются (с датой введения в действие с 01 июля 2012 года) два стандарта, выполненные на основе аутентичных переводов на русский язык вышеуказанных стандартов:

  • ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 7. Электронные трансформаторы напряжения»;
  • ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока».

При рассмотрении этих стандартов видно, что многие пункты «сырые» или находятся в стадии разработки. Конечно же, надо сделать скидку на то, что электронные трансформаторы в России не выпускаются и не внедряются массово, а существуют только в виде опытных образцов или находятся в единичных экземплярах в опытно-промышленной эксплуатации. Рассмотрим, насколько электронные трансформаторы, выполненные по этим стандартам, соответствуют существующим Российским нормам.

Электронный трансформатор напряжения

Вторичное напряжение, вторичные нагрузки и допускаемые погрешности классов точности соответствуют Российским нормам. Правда, в стандарте на электронные трансформаторы тока (ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010) есть указание о цифровом выходе для электронного трансформатора напряжения, соответствующем МЭК 61850, что характеризует качество подготовки этих документов в целом. Прочие несоответствия этого стандарта и других Российских норм прослеживаются в классах напряжений (в частности, для напряжений выше 220 кВ), некоторых технических характеристиках и в методах испытаний.

Электронный трансформатор тока

Выход электронного трансформатора тока по ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 предполагается аналоговый по напряжению, а также цифровой по МЭК 61850. Несоответствие этого стандарта и других Российских норм прослеживается также в классах напряжений (в частности, для напряжений выше 220 кВ), и в отсутствии некоторых широко употребляемых стандартных номинальных токов (в частности 80, 800, 1200 А), некоторых технических характеристиках и в методах испытаний.

Метрологические проблемы при поверке

  1. Не все Государственные метрологические центры способны произвести поверку электронных трансформаторов тока и напряжения, имеющих цифровой выход. И правда, кто сейчас из производителей и потребителей высоковольтного оборудования может похвастаться тем, что имеет оборудование для поверки электронных измерительных трансформаторов с выходом в стандарте МЭК 61850? По нашим данным, в июне 2014 года предприятие «Марс-Энерго» (г. Санкт-Петербург) представило первый в России программно-аппаратный комплекс для этих целей. Но ввиду того, что электронные трансформаторы с цифровым выходом находятся в опытно-промышленной эксплуатации в единичных экземплярах, целесообразность приобретения этого поверочного оборудования стремиться к нулю.
  2. На настоящее время какого-либо Государственного Стандарта – методики поверки для электронных трансформаторов не разработано. Для поверки электромагнитных трансформаторов тока и напряжения повсеместно пользуются стандартными методиками поверки, выполненными на основе ГОСТ 8.216-2011 для трансформаторов напряжения и ГОСТ 8.217-2003 для трансформаторов тока. Естественно, для электронных трансформаторов должна применяться своя методика поверки. Возможно, что из-за отсутствия стандартной методики поверки электронных трансформаторов, большинство производителей высоковольтной аппаратуры не спешат браться за разработку и изготовление, а эксплуатирующие организации – за внедрение электронных трансформаторов в электрические сети. Получается замкнутый круг – нет стандарта и методики, потому что нет производства и эксплуатации, а производства и эксплуатации нет, потому что нет стандарта и методики.
  3. Еще одна достаточно серьезная метрологическая проблема, которая практически не обсуждается разработчиками электронных трансформаторов – как влияет на точность измерения тока и напряжения воздействие магнитных и электрических полей соседних фаз? Первичная поверка любого трансформатора производится в лабораторных условиях, при приложении напряжения или протекании тока только одной фазы. В реальных электроустановках на датчики магнитного и электрического поля будут наложены внешние магнитные и электрические поля соседних фаз. Приведем пример для измерения тока. В Советском Союзе были проведены исследования [4], которые показали, что трансформатор тока с сердечником в μ раз (μ – относительная магнитная проницаемость материала сердечника) менее подвержен влиянию внешних магнитных полей, чем трансформатор тока без сердечника – будь то катушка Роговского или другой датчик магнитного поля. Стоит пояснить, что относительная магнитная проницаемость μ даже самой плохой электротехнической стали достигает нескольких тысяч. При применении в качестве первичного датчика тока катушки Роговского, магнитооптического датчика тока (например, ячейка Фарадея) влияние магнитного поля соседних фаз будет минимум в тысячу раз выше, чем в электромагнитном трансформаторе тока! То есть для электронных трансформаторов, имеющих в качестве первичного датчика тока катушку Роговского, ячейки Фарадея или датчика Холла, поверку следует проводить в трехфазной схеме токов, что повлечет за собой значительное усложнение испытательного оборудования, и создание отличных от стандартных методик проведения поверки.

Проблемы при внедрении

Наличие цифровых выходов у электронного трансформатора делает невозможным его подключение непосредственно к серийному счетчику электроэнергии.

Для непосредственного подключения потребуется счетчик с цифровыми входами, но по данным на начало 2014 года, в России не выпускался серийно такой счетчик, внесённый в Государственный Реестр Средств Измерений. Ввиду этого, применение электронных трансформаторов, потребует от конечного потребителя применения вместо простого подключения (рисунок 1) применения неких цифровых программно-аппаратных комплексов сопряжения с серийным счетчиком электроэнергии (рисунок 2). Только в одном случае цифровые выходы будут иметь положительное значение – если в точке измерения реализована архитектура «цифровой подстанции» по стандарту МЭК 61850. Но процесс построения «цифровой» подстанции, анонсированный уже более 6 лет назад, до сих пор не имеет примеров реального полноценного внедрения на территории РФ. При этом, авторы выражают сомнение в том, что удастся в короткие сроки «оцифровать» десятки тысяч подстанций Российской энергосистемы.

рис 1
Рисунок 1. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением электромагнитных трансформаторов.

 

рис 2
Рисунок 2. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением цифровых трансформаторов по ГОСТ Р МЭК 60044-7 и ГОСТ Р МЭК 60044-8, стандартного счетчика электроэнергии и терминала защиты.

Для внедрения электронных трансформаторов требуется устранение описанных проблем. Но прямое решение проблем в «лоб» потребуются значительные средства на разработку методик, создание новых комплексов для поверки, программно-аппаратных комплексов сопряжения, что повлечет за собой большие финансовые затраты производителя, который заложит их в цену, что сделает электронные трансформаторы недоступными для эксплуатации еще на долгие годы. Для компромиссного решения этих проблем электронные трансформаторы должны иметь экранированный от внешних воздействий первичный датчик тока и напряжения, и иметь выходы, идентичные электромагнитным трансформаторам.

Первая часть решается просто – введение экранирования первичного датчика тока и напряжения, или применения в их качестве малогабаритных трансформаторов со сталью.

Вторая часть решения будет сложнее и, конечно же, усложнит конструкцию цифрового трансформатора, ведь придется имитировать работу электромагнитного трансформатора с помощью аналоговой силовой электроники, проще говоря, усилителей. На современном этапе развития электроники реализовать это будет несложно. Но для поверки конечного потребителя это решит массу проблем, ведь не будет сложностей с проведением поверки с помощью стандартного метрологического оборудования и подключением такого трансформатора к обыкновенному счетчику (рисунок 3). Кроме этого, переконвертировать такой сигнал в стандарт МЭК 61850 будет проще – для стандартных электромагнитных трансформаторов напряжения и тока созданы программно-аппаратные комплексы. Таким образом, получается электронный трансформатор с малой массой, габаритами и минимальным обслуживанием, при этом он может поверяться стандартными средствами метрологии и по стандартным методикам, он подойдет под замену электромагнитных трансформаторов, а в связке с конвертером МЭК 61850 будет встроен в систему «цифровой подстанции».

рис 3
Рисунок 3. Блок-схема организации системы учета и защиты высоковольтной линии с применением цифровых трансформаторов с аналоговыми усилителями, стандартного счетчика электроэнергии и терминала защиты.

Для реализации описанной архитектуры электронного трансформатора были проведены опытно-конструкторские работы и большой объем исследовательских работ. В результате были разработаны электронные трансформаторы тока и напряжения класса 110 кВ, объединенные в одном корпусе, получившее коммерческое обозначение i-TOR-110.

Решение объединить 2 прибора в одном корпусе пошло только на пользу – были объединены изоляционные конструкции, корпусные детали, блоки питания первичных преобразователей. Масса одного устройства i-TOR-110, на номинальный ток до 1000 А не превышает 60 кг, а вторичного конвертера с аналоговыми усилителями – не превышает 5 кг. Ввиду относительно небольшой массы появилась возможность не только поставить его на опорных конструкциях подстанции, но и повесить на подходящей опоре ЛЭП вместо стандартного подвесного изолятора. Для снижения воздействия внешних электрических и магнитных полей в качестве первичного датчика тока применен малогабаритный трансформатор тока, а для напряжения – экранированный делитель напряжения. Для потребителя сложности с подключением прибора к счетчику или системе учета электроэнергии никаких – выходная силовая электроника полностью имитирует работу электромагнитного трансформатора тока и напряжения. Ввиду того, что устройство i-TOR-110 электронное, они изначально были рассчитано и спроектировано под коммерческие классы измерения – 0,2S для тока и 0,2 для напряжения.

1111
Рисунок 4. Узел коммерческого учёта на базе i-TOR-110 подстанционного исполнения.

Процесс поверки устройства i-TOR-110 полностью аналогичен поверке традиционных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения, с применением стандартного оборудования и методик поверки. Внедрение цифровых трансформаторов в сетях 110 кВ и выше в настоящее время осложнено проблемами проведения поверки и интеграции в существующие системы измерения. Современная метрологическая база не готова к массовому внедрению новых цифровых трансформаторов и их метрологическому обеспечению. В связи с этим, многим энергетикам неочевидна необходимость перехода на новые аппараты. Предложенные в статье решения позволяют снять многие противоречия и облегчить переход отечественных электросетей к новым принципам организации коммерческого учёта и интеллектуальной защиты.

Список литературы

  1. Журнал «Энергоэксперт» № 4 за 2012 г. Оптико-электронный трансформатор тока и напряжения оригинальной конструкции.
  2. ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010 Трансформаторы измерительные. Часть 7. Электронные трансформаторы напряжения.
  3. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока.
  4. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев, В. М. Кибель и др. – 2-е изд., – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989 г., пар. 2-7, стр. 81 – 93.

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: