Экспериментальный стенд для исследования трансформаторов тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра «Электротехника», факультет автоматики и электроники

ФГБОУ ВО «КГТА им. В.А. Дегтярева»

Экспериментальный стенд для исследования трансформаторов тока

Арутюнов Юрий Артемович,

канд. физ-мат. наук, ведущий научный сотрудник

Чащина Елена Евгеньевна, студент

АННОТАЦИЯ

Работа направлена на реализацию ресурсосберегающих технологий, а именно расширение диапазона учета потребления электроэнергии при работе на пороге чувствительности. Цель работы заключается в расширении области доверительных значений при измерении малых токов посредством трансформатора тока. В работе предложена конструкция измерительного стенда для исследования режимов работы трансформаторов тока подключаемых совместно с электрическими счетчиками энергии на пороге чувствительности. Показана возможность сокращения недоучета расхода электроэнергии при малой загрузке силовых трансформаторов. Ожидаемый результат заключается в расширении диапазона рабочих токов для измерительных трансформаторов тока с 5% от номинального тока до 1,0 %.

Ключевые слова: трансформатор тока, микропроцессор, измерительная обмотка, порог чувствительности, класс точности.

В соответствии с Федеральным законом №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 2009 г., распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. N 1715-р «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» и рядом других постановлений, распоряжений и приказов с 2011 г. Россия, присоединилась к модному «мировому тренду» последних десятилетий -- экономии энергии. Наиболее популярным проектом, который реализуют около половины промышленных предприятий, является установка приборов учета - как наиболее малозатратная мера, направленная на повышение прозрачности расходования энергии [1-3]. Применительно к электрической энергии, эта мера заключается в расширении использования информационно-измерительных систем, включающих в себя устройства для приема, обработки и передачи данных, программное обеспечение и счетчики электрической энергии. В связи с этим повышение достоверности учета электроэнергии является одной из главных задач.

Измерительные трансформаторы с литой изоляций серийно стали выпускаться с конца 60-х годов. В 1994 году на Свердловском заводе трансформаторов начато производство трансформаторов тока ТОП-0,66. В настоящее время существует значительное количество аналогов подобных трансформаторов [4]. Последнее время в практику построения измерительных систем вошли датчики тока, основанные на эффекте Холла. Российские фирмы предлагают широкий ассортимент датчиков тока известных производителей, а современные датчики обеспечивают высокую точность и линейность преобразования тока в силовой цепи в диапазоне частот от 0 до 200 кГц, имеющим полосу пропускания 40 кГц и разрешающую способность 0,3% от полной шкалы выходного сигнала [5]. Однако даже при рабочем токе до 100 А сигнал с датчика тока составит примерно 200 мВ, что не позволяет использовать их как аналоги измерительным трансформаторам тока при использовании счетчиков электроэнергии [6]. Таким образом, коммерческий учет электроэнергии по стороне высокого напряжения (6-10кV) строится на основе измерительных трансформаторов тока (ТТ).

Известно, что диапазон рабочих токов у счетчиков электроэнергии позволяет продолжать учет энергии на пороге чувствительности (0,2-0,3% от номинального тока). В то же время, регламентируемый ПУЭ диапазон рабочих токов для измерительных обмоток трансформаторов тока значительно уже и для классов точности 0,2 и 0,5 он составляет от 5 % от номинального тока. Таким образом, применение ТТ в измерительных цепях, увеличивая максимальное регистрируемое значение, одновременно существенно ограничивает область доверительных значений при измерении малых токов (соответственно с 0,2-0,3% до 5 %).

Одной из основных причин того, что при протекании малого тока через измерительную обмотку ТТ в цепи счетчик -- трансформатор тока, ТТ не отвечает требованиям заявленного класса точности является его работа на нелинейном участке основной кривой намагничивания (рис. 1, участок 0-А).

Рисунок 1. Основная кривая намагничивания.

Из рис. 1 видно, что метрологическая стабильность современных трансформаторов тока определяется в первую очередь их магнитопроводами (сердечниками), магнитные параметры которых существенно зависят от типа и марки материала. Традиционно для материала сердечников ТТ применяется дорогостоящая высококачественная тонколистовая электротехническая (трансформаторная) сталь класса 3, типа 4, группы 0 или 1 (например, марки 3408, 3409), изготавливаемую, согласно ГОСТ 21427.1-83, толщиной 0,27-0,35мм, шириной 650-1000мм.

Магнитные свойства трансформаторных сталей ГОСТируются только по двум показателям: удельным магнитным потерям (они не должны быть больше некоторой величины Р_макс) и магнитной индукции В_Н в выбранной точке кривой намагничивания (она не должна быть меньше некоторой величины В_мин). В частности, для трансформаторных сталей нулевой группы магнитная индукция В₁₀₀ определяется при напряженности постоянного магнитного поля Н=100 А/м. Например, для стали марки 3408 толщиной 0,3 мм эти показатели должны иметь значения Р_1,7/50?1,20 Вт/кг и В₁₀₀?1,74 Тл. В случае изготовления ТТ работающих в области малых значений (класс точности 0,2S и 0,5S) необходимо, согласно ГОСТ 7746-2001 нормировать токовые погрешности при первичных токах (рис. 2), составляющих 1% от номинальных: 0,01I₁/I_1ном (для ТТ без литеры S нормирование проводится при 0,05I₁/I_1ном), так как именно эта область приходится на начальный участок кривой намагничивания (см. рис. 1, участок О-А).

Рисунок 2. Разница между классами точности 0,5S и 0,5 [1]

Оценим влияние разности в области доверительных значений (рис. 2) на недоучет электроэнергии: где и -- погрешность регистрации потребленной электроэнергии посредством трансформаторов тока классов 0,5 и 0,5S соответственно, U - напряжение, I - сила тока, T - продолжительность работы трансформатора тока.

Для сравнения принимаем, что в условиях колебания суточного графика нагрузки потребителей, трансформатор тока до T=10 часов в сутки^[1] работает в режиме действующего значения тока менее 20% номинального (напряжение U=380 В, сила тока I_ном = 15А). Будем считать, что среднее значение нагрузки в это время составляет 5% от номинальной I=0,75А. Тогда разница погрешностей регистрации потребления электроэнергии для ТТ класса 0,5 и 0.5S измерения на 5% нагрузки составляет:кВт^.час.

Следовательно, недоучет электроэнергии при применении ТТ классом 0,5 по сравнению с 0,5S составляет 21,4 кВт^.час за сутки, 7811 кВт^.час за год, что при стоимости 4 руб. за 1 кВт^.час составляет 31,2 тыс. руб (в ценах 2014 г.). Таким образом, замена одного ТТ типа ТОП-0,66-5-0,5-15/5 класса 0,5 на аналогичные классом 0.5S позволяет при коммерческом учете электроэнергии экономить более 31 тыс. руб. в год.

Однако следует отметить, что возможность использования трансформаторной стали для изготовления магнитопроводов ТТ класса точности S ограничена, т.к. во многом зависит от неконтролируемых ГОСТом магнитных свойств тонколистового проката в начальной области кривой намагничивания и поэтому эти свойства меняются не только от партии к партии, но и от рулона к рулону и даже между отдельными участками рулона. Поэтому отбор стали для сердечников ТТ классов 0.2S и 0.5S во многом носит экспериментальный характер с использованием «метода проб и ошибок», что при весе рулона около 5 тонн, затрудняет серийное производство сердечников для трансформаторов тока класса точности S и приводит к увеличению стоимости трансформатора примерно в 1,5 раза. Поэтому ряд производителей в ТТ класса S используют сердечники, выполненные из нанокристаллического сплава на основе железа, кремния, бора, ниобия и меди, получаемого путем розлива расплава через тонкую ~25мкм фильеру на поверхность вращающегося с большой скоростью охлаждаемого вала. Из-за высокой скорости охлаждения (до 1 миллиона градусов в секунду) атомы сплава не успевают сформировать крупнокристаллическую решетку и сплав, таким образом, приобретает аморфный, нанокристаллический характер, когда размеры кристаллов и доменов в тысячи раз меньше обычных и уникальные магнитно-электрические свойства (рис. 3).

Рисунок 3. Петля гистерезиса для электротехнической стали и нанокристаллического сплава.

Однако, в соответствии с требованиями ГОСТ 7746-2001 стандартом задан ряд значений вторичных токов для ТТ составляющих 1 и 5 А. Указанным ГОСТом также регламентируются диапазоны измерений первичного тока, при которых должен быть сохранен класс точности: от 5-120% для классов точности 0,5 и 0,2, от 1-120% для классов 0,5S и 0,2S. Таким образом, классы точности с литерой «S» отличаются от прочих увеличенным диапазоном измерений в область минимальных значений (с 5% до 1%). В то же время существует требование ПУЭ (п.1.5.17), согласно которому требуется выбирать коэффициент трансформации так, чтобы ток в максимальном режиме загрузки присоединения составлял не менее 40% тока счетчика, а в минимальном - не менее 5%. Таким образом требование к минимальному режиму противоречит требованиям ГОСТ 7746, с следовательно делает нецелесообразным применение ТТ классов точности с литерой «S». Что касается требования 40% в максимальном режиме то оно, основано на стремлении минимизировать погрешности широко используемых трансформаторов тока классов без «S» (см. рис. 2). Кроме того, фактическая нагрузка присоединения может быть значительно ниже его номинального тока, так как проведенные еще в советский период электрические сети были построены с учетом перспектив развития, которое так и не произошло. В таких случаях нужно обеспечить легитимный учет в области фактических нагрузок и обеспечить возможность работы присоединения в режиме максимальной пропускной способности, чтобы в случае увеличения объемов транзита электрической энергии не пришлось менять ТТ. Поэтому задача обеспечения легитимного учета при малых и номинальных нагрузках присоединений решаема не может быть решена за счет применения ТТ с расширенным диапазоном измерений - от 0,2 до 200% от номинального тока, т.к погрешности этого диапазона регламентируются международным стандартом IEС 60044-1 (3), а отечественные производители выполняют испытания на соответствие ГОСТ 7746-2001 который не регламентирует погрешностей ТТ при токе свыше 120% номинального. Таким образом, при использовании трансформаторов класса 0,5S для коммерческого учета возникает противоречие между требованиями ГОСТ 7746-2001 и требованиями ПУЭ.

Следует отметить, что по данным сети интернет в настоящее время в электросетях Украины эксплуатируются около 100 000 измерительных трансформаторов тока в основном класса точности 0,5. Это позволяет предположить, что в сетях России эксплуатируется до 300 000 трансформаторов тока аналогичного класса точности 0,5, а возможно и больше^[2]. Учитывая, что средний срок эксплуатации измерительных трансформаторов на настоящий момент превысил 15-20 лет, и соотнося эти данные с результатами исследований компании B2B Research рынка измерительных ТТ и напряжения, показывающими, что с 2010 г. на рынке России наблюдается устойчивый рост продаж измерительных трансформаторов порядка 15 % ежегодно, можно предположить, что для коммерческого учета потребления электроэнергии используются именно ТТ, а не их аналоги в виде чипов и иных устройств, которые потребовали бы внесение изменений в структуру используемых информационно-измерительных систем.

Это делает актуальным разработку электронного корректора, подключаемого последовательно с измерительной обмоткой типовых ТТ класса точности 0,5 типа ТОП-0,66-5-0,5-15/5 У3, который за счет внешнего источника питания обеспечит «линеаризацию участка О-А (см. рис. 1)», что позволит расширить область доверительных значений при измерении малых токов с 5% до 0,2-0,3%. И как следствие делает необходимым разработку стенда для экспериментальной проверки предлагаемых решений.

Общий вид разработанного экспериментального стенда приведен на рис. 4.

Рисунок 4. Экспериментальный стенд

Рисунок 5. Ламповый реостат:

а - нагрузка включена полностью; б - нагрузка включена частично

трансформатор ток измерительный стенд

Экспериментальный стенд (рис. 4) включает в себя 3-х фазный счетчик электрической энергии типа Меркурий 230 (рис. 4 поз. 1), нагруженный ламповым реостатом (рис. 5) - состоящим их 32 ламп накаливания мощностью до 60 Вт и 4 ламп накаливания мощностью до 300 Вт, итого суммарная потребляемая активная мощность более 2 кВт, которая может изменяться путем уменьшения числа подключенных ламп. Причем распределение нагрузки по фазам может быть как симметричным, так и не симметричным, в том числе с нагрузкой только по 1 или 2 фазам, что моделирует большинство режимов работы электросчетчиков. Конструкция стенда позволяет подключать счетчик электрической энергии как непосредственно в сеть, так и через ТТ. В стенде первоначально использованы измерительные ТТ типа ТТИ-А (ГОСТ 7746-2001) классом точности 0,5, включенных соответственно в фазы А, В, С (рис. 4 поз. 2). При выполнении измерений применялись ТТ ТОП-0,66-5-0,5-15/5 У3 аналогичного класса. Во всех случаях для контроля протекающего тока используется эталонный мультиметр типа mastech MY63 (рис. 4 поз. 3). Коммутация соединений осуществляется вручную посредством соединения изолированным проводом (рис. 4 поз. 4) выводов клеммной колодки (рис. 4 поз. 5) и разъемов (рис. 4 поз. 6).

Как показано выше, что диапазон рабочих токов у счетчиков электроэнергии (рис. 4 поз. 1) позволяет продолжать учет энергии на пороге чувствительности (0,2-0,3% от номинального тока). В то же время, регламентируемый ГОСТом диапазон рабочих токов для измерительных обмоток ТТ (рис. 4 поз. 2) значительно уже и для классов точности 0,2 и 0,5 он составляет от 5 % от номинального тока (см. рис. 2). Таким образом, применение ТТ (рис. 4 поз. 2) в измерительных цепях увеличивая максимальное регистрируемое значение, одновременно существенно ограничивает область доверительных значений при измерении малых токов (соответственно с 0,2-0,3% до 5 %). Полагаем, что одной из основных причин того, что при протекании малого тока через измерительную обмотку ТТ (рис. 4 поз. 2) в цепи счетчик (рис. 4 поз. 1) -- ТТ (рис. 4 поз. 2), трансформатор не отвечает требованиям заявленного класса точности является его работа на нелинейном участке основной кривой намагничивания (см. рис. 1).

Одним из путей повышения точности ТТ при работе на нелинейном участке, является коррекции сигнала ТТ. Для определения алгоритма коррекции, выполнения калибровки и отладки на этапе текущих исследований значение выходного сигнала ТТ в силовую цепь параллельно с ТТ установлен датчик тока, подключаемый релейно при работе на малых токах (рис. 6)

Рисунок 6. Внешний вид датчика тока

Используемые датчики тока (рис. 6) целесообразны к применению только на нелинейном участке 0-а (см. рис. 1). Поэтому при увеличении тока в силовой цепи до значений в области а-б (рис. 1) работа электронного датчика тока шунтируется и сигнал переключается на обычную систему контроля. На рис. 7 приведены результаты эксперимента. В расчетах принимали коэффициент трансформации I₁/I₂ согласно паспортным значениям равным 3. Отклонение реального коэффициента трансформации от паспортных значений определяли как:

а

б

Рисунок 8. Результаты эксперимента:

а - зависимость тока вторичной обмотки от тока первичной обмотки;

б -- отклонение реального коэффициента трансформации от паспортных значений:

i1 - ток первичной обмотки, мА; I2 -- ток вторичной обмотки ТТ, мА; I22 - ток датчика тока, мА; f -- отклонение реального коэффициента трансформации от паспортных значений; ff -- Отклонение коэффициента трансформации после коррекции от паспортных значений

Видно, что ТТ при работе в области малых токов, текущих через первичную обмотку (менее 5%), зависимость имеет нелинейный вид, что особенно видно на кривых зависимости напряжения на вторичной обмотке и соответствует традиционным представлениям об области доверительной работы ТТ класса точности 0,5 и вызвано потерями в магнитопроводе трансформатора. Так же видно, что при работе в области малых токов, текущих через первичную обмотку из-за потерь в магнитопроводе трансформатора возрастает отклонение показаний от истинных. Это позволяет предположить возможность коррекции сигнала ТТ путем изменения конструкции магнитопровода [7, 8], либо внесением вычислительных поправок по заданному алгоритму [9, 10] в показания ТТ.

В работе предложена конструкция стенда для экспериментальной проверки возможности расширения диапазона легитимного учета электроэнергии посредством ТТ типа ТОП 0,66-15/5 класса точности 0,5, до значений, обеспечивающих работу счетчиков электроэнергии на пороге чувствительности 1% от номинального тока. Показана возможность сокращения недоучета расхода электроэнергии при малой загрузке силовых трансформаторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Проектирование силовых трансформаторов с использованием методов оптимизации / Ю.А. Арутюнов, О.Н. Бородин, А.А. Дробязко, Е.А. Чащин, П.А. Шашок/ Омский научный вестник, 2017, №6(156), с. 47-53.

2. Исследование работы качера в автогенераторном режиме / Арутюнов Ю.А., Дробязко А.А., Чащин Е.А., Шашок П.Е./ Вестник УГАТУ 2017. Т.21, № 2(76). с.76-81.

3. СТП 09110.47.104-11 «Методические рекомендации по автоматизации распределительных электрических сетей 0,4-10(6) кВ Белорусской энергосистемы».

4. Поверка измерительных трансформаторов тока на месте их эксплуатации / Ю.А. Арутюнов, А.А. Дробязко, Е.А. Чащин, П.Е. Шашок / Молодой ученый №16 (150), 2017, с. 140-145.

5. Уткин А. Датчики тока ACS750 фирмы Allegro: теория и практика // Современная электроника - 2004. № 12. с. 18-20.

6. Данилов А. Современные промышленные датчики тока. // Современная электроника - 2004. № 10. с. 26-35.

7. Влияние топологии магнитопровода на приведенные характеристики магнитомягких ферромагнетиков / Ю.А. Арутюнов Ю.А., И.Н. Возовиков, Ю.В. Молокин, Е.А. Чащин, Л.И. Шеманаева/ Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 181.

8. Влияние топологии замкнутого магнитного контура на электромагнитные свойства трансформатора /Ю.А. Арутюнов, А.А. Дробязко, П.А. Шашок, Е.А. Чащин/ Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 6-1. С. 12-17.

9. Методика построения и коррекции Y - матрицы узловых проводимостей электроэнергетической системы с учетом комплексных коэффициентов трасформации трансформаторов / Бадалян Н.П., Чащин Е.А., Шеманаева Л.И. / Вестник УГАТУ, 2014, Т.18, №3(64). С. 117-126.

10. Решение задачи коррекции установившегося режима электроэнергетической системы методом декомпозиции / Бадалян Н.П., Молокин Ю.В., Чащин Е.А. / Омский научный вестник, 2014, №1(127), с. 170-175.

ПРИМЕЧАНИЯ

1. Для промышленности, это как правило ночное время с 22.00 до 7.00, в коммунальном секторе это и ночное время, и время с 9.00 до 17.00. ^

2. Группа компаний «Трансформэлектро» (ТФЭ) с 2003 г. выпускает трансформаторы тока на напряжения 6-10, 20-25 и 35 кВ, на текущий момент суммарный объем выпуска трансформаторов превысил 15 тысяч штук. Минский электротехнический завод им. В.И.Козлова (МЭТЗ) -- один из видов продукции трансформаторы тока 0,4 кВ. С 2005 г. выпускаются трансформаторы тока серии ТОП-0,66 и ТШП-0,66 на разные номиналы классов точности 0,5 и 0,5S в количестве порядка 100 тыс. шт./год.

Размещено на Allbest.ru