Назад в библиотеку

---

Измерение напряжения в КРУЭ на подстанциях с цифровой техникой

Авторы: Иванов А.С., Местергази В.А., Носик Л.П., Остапенко Е.И., Парфенов Д.Е., Собакарь Т.В., Чемерис В.С.
Источник: Электричество. – 2012. – №9. – С. 23-30.

Аннотация

Иванов А.С., Местергази В.А., Носик Л.П., Остапенко Е.И., Парфенов Д.Е., Собакарь Т.В., Чемерис В.С. Измерение напряжения в КРУЭ на подстанциях с цифровой техникой. Для построения полностью цифровой подстанции требуется перейти от аналоговых средств измерения к цифровым, в частности к цифровым измерителям напряжения. Рассмотрен такой измеритель высокого напряжения с выходным цифровым интерфейсом. Первичный датчик расположен в корпусе под газовым давлением и основан на принципе емкостного делителя. Вторичный датчик находится вне корпуса первичного датчика и совмещен с устройством цифровоо преобразования.

Трансформатор напряжения (ТН) является неотъемлемой составной частью распределительных устройств подстанций. Сигналы ТН используются устройствами защит, системами управления, контроля и мониторинга подстанции. В настоящее время прослеживается тенденция к реализации измерительных средств на базе микропроцессорной техники. Для построения полностью цифровой подстанции требуется перейти от аналоговых средств измерения к цифровым, в частности к цифровым измерителям напряжения. Стандарт МЭК 61850 регламентирует основные задачи и этапы перехода к цифровым подстанциям. Стандарт МЭК 60044-7 определяет требования к цифровым измерителям напряжения.

Для сбора, передачи и обработки информации на цифровой подстанции используются волоконно-оптические линии связи, исключающие большое количество коммуникаций проводами и устройств обработки. Все эти соединения и устройства обработки заменены единой станционной технологической шиной. Переход на цифровые измерительные датчики и реализация обмена с потребителями с помощью процессорной шины реального времени позволяет исключить остаточный объем проводных соединений. Кроме того, цифровые измерительные датчики и сети позволяют реализовать функции проверки и исправления ошибок, исключить появление дополнительных погрешностей, повысить ЭМС оборудования.

Цифровая подстанция является новым и перспективным направлением в электроэнергетической отрасли. Для успешного развития автоматизации процессов передачи, преобразования и распределения электроэнергии в масштабах единой общероссийской электрической сети разрабатывается общая концепция программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции.

Со времени начала разработок в отечественной электроэнергетике проектов АСУ ТП подстанции произошло существенное развитие аппаратных и программных средств систем управления для применения на электрических подстанциях. Появились высоковольтные цифровые трансформаторы тока и напряжения; разрабатывается первичное и вторичное электросетевое оборудование со встроенными коммуникационными портами; производятся микропроцессорные контроллеры, оснащенные инструментальными средствами разработки, на базе которых возможно создание надежного программно-аппаратного комплекса подстанции (ПС); принят международный стандарт МЭК 61850, регламентирующий представление данных о ПС как объекте автоматизации, а также протоколы цифрового обмена данными между микропроцессорными интеллектуальными электронными устройствами (IED) подстанции, включая устройства контроля и управления, релейной защиты и автоматики (РЗА), противоаварийной автоматики (ПА), телемеханики, счетчики электроэнергии и т.д. Все это создает предпосылки для построения подстанции нового поколения – цифровой подстанции, в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме.

Переход к передаче сигналов в цифровом виде на всех уровнях управления подстанцией позволит:

• сократить затраты на кабельные вторичные цепи и каналы их прокладки, приблизив источники цифровых сигналов к первичному оборудованию;
• повысить электромагнитную совместимость современного вторичного оборудования – микропроцессорных устройств и вторичных цепей благодаря переходу на оптические связи;
• упростить и, в конечном итоге, удешевить конструкцию микропроцессорных интеллектуальных электронных устройств за счет исключения трактов ввода аналоговых сигналов;
• унифицировать интерфейсы устройств IED, существенно упростить взаимозаменяемость этих устройств (в том числе замену устройств одного производителя на устройства другого производителя) и др.

Технические характеристики. Цифровой измеритель напряжения разрабатывался для использования в КРУЭ на номинальное напряжение 220 кВ для цифровых подстанций. Основные технические характеристики цифрового измерителя напряжения соответствуют государственному стандарту РФ ГОСТ 1983-2001 «Трансформаторы напряжения. Общие технические условия», а также стандартам МЭК 60044-7 и МЭК 61850.

При переходе к более низкой предельной температуре высоковольтная часть аппарата заполняется смесью газов, исключающей конденсацию элегаза, а в устройстве цифрового преобразования заменяется нагревательный прибор на более мощный.

Цифровой измеритель напряжения ячейки КРУЭ (рис. 1) предназначен для измерения высокого напряжения и передачи измеренных значений в системы защит, контроля и мониторинга подстанции. Чаще всего измеритель напряжения устанавливается на отходящей от подстанции линии или на сборных шинах подстанции, этим определяется его расположение в ячейке распредустройства. Цифровой измеритель напряжения функционально и конструктивно делится на две части: первичный датчик напряжения (в данном случае емкостный делитель) и устройство цифрового преобразования.

Первичный датчик напряжения построен по принципу емкостного делителя. Высоковольтное плечо делителя находится в газовой изоляции и представляет собой коаксиальную систему проводника высокого потенциала и цилиндра низкого потенциала, электрически связанного с низковольтным плечом делителя. Низковольтное плечо реализуется с помощью набора высокоточных конденсаторов, которые располагаются за пределами металлического корпуса измерителя напряжения, предусматривается возможность терморегулирования и размещение совместно с блоком АЦП.

Трансформатор на принципе емкостного делителя обладает рядом преимуществ перед традиционным электромагнитным трансформатором напряжения (рис. 2): уменьшенный вес и габариты (размеры сокращаются практически вдвое, а вес более чем в 4 раза); простота изготовления, поскольку исключается необходимость в обмотке с высокой трудоемкостью; упрощается монтаж, число деталей значительно сокращается; предполагаемая стоимость не увеличивается, а в процессе развития цифровых подстанций будет значительно уменьшаться.

Измеритель напряжения (рис. 1,а) представляет собой трехфазную конструкцию, расположенную в одном общем заземленном корпусе. Конструкция состоит из трехфазного герметичного изолятора с электростатическими экранами, герметизированного корпуса, заполненного изоляционным газом, с закрепленной на корпусе предохранительной мембраной и выводами низкого напряжения. В измерителе предусматривается установка датчиков плотности, давления и температуры газа, они устанавливаются в зависимости от требуемых задач. В корпусе находится высоковольтное плечо каждой из фаз, представляющее собой коаксиальную систему из проводника высокого потенциала и цилиндра низкого потенциала. С цилиндра низкого потенциала измеряемый сигнал передается по проводам в устройство цифрового преобразования. Также на устройство цифрового преобразования будут приходить сигналы с датчиков плотности, давления и температуры, которые могут участвовать в обработке сигнала измерения и совместно с сигналом измерения могут передаваться на пульт управления подстанцией. Конструкция однофазного измерителя напряжения аналогична трехфазному.

Принцип ТН, основанного на емкостном делителе, иллюстрируется рис. 1. Высокое напряжение приложено к проводнику 3, закрепленному в изоляторе 1. Цилиндр 4 составляет с проводником 3 высоковольтное плечо 6 емкостью C₁, сигнал с цилиндра передается через вывод низкого напряжения в корпусе 2 на низковольтное плечо 7 емкостью С₂. С низковольтного плеча сигнал поступает на вход АЦП устройства цифрового преобразования 5 и после объединения с другими измерительными сигналами ячейки передается по оптоволокну в виде фрейма цифровых выборок в системы защит, мониторинга и управления подстанцией (в соответствии с протоколом МЭК 618509-2LE).

Для предварительных расчетов и оценок расчетную емкость высоковольтного плеча C₁ можно определить по формуле

где e – диэлектрическая проницаемость среды; e₀ – электрическая постоянная; R₁ – радиус проводника; R₂ – радиус цилиндра; l – длина цилиндра.

В действительности емкость будет несколько больше из-за влияния краевых эффектов и расположения цилиндра в корпусе и должна быть определена экспериментально при нормальных условиях окружающей среды.

Основной показатель измерителя – это погрешность измерения напряжения по значению и фазе. Предварительные расчеты показали, что погрешность измерения по значению не превышает 0,2%, что соответствует классу точности 0,2 по ГОСТ 1983-2001. Погрешность является составной величиной, и при расчете погрешности были учтены следующие факторы.

1. Температурное линейное расширение элементов конструкции делителя. По оценке этот фактор вносит нестабильность измерения не более 0,02% с учетом изменения температуры от –45 °С (нижнее значение рабочей температуры воздуха при эксплуатации) до +80 °С (возможный максимальный нагрев газа). Получение такой погрешности достигается применением материалов с минимальным линейным расширением.
2. Изменение свойств элегаза из-за изменения плотности, температуры и давления. По данным была получена зависимость диэлектрической проницаемости от плотности, температуры и давления. На основании этой зависимости погрешность измерений не будет превышать 0,1%.
3. Добавление паразитных емкостей, в том числе вносимых проводами, оценивается в 0,05%. После монтажа, калибровки и настройки устройства цифрового преобразования не рекомендуется проводить какие-либо операции по перемещению измерительных кабелей связи. Влияние паразитной емкости кабеля РК75-2-21 ГОСТ 11326.40-79, выбранного для измерительных цепей, может быть оценено погрешностью в 0,006% на один погонный метр.
4. Температурное изменение емкости низковольтного плеча компенсируется программным способом за счет контроля температуры в измерительной секции, поэтому температурная погрешность оценивается не более 0,05%.
5. Погрешность АЦП составляет около 0,01–0,02%. Среднеквадратичное суммирование указанных погрешностей позволяет сделать вывод, что ожидаемая суммарная погрешность измерения высокого напряжения не будет превышать ±0,2%, что соответствует измерительным трансформаторам напряжения с классом точности 0,2 по ГОСТ 1983-2001.

Устройство цифрового преобразования – это вторая функциональная и конструктивная часть цифрового измерителя напряжения. Оно выполняет функции АЦП и узла объединения (MU) сигналов ячейки в единый пакет цифровых выборок мгновенных значений этих сигналов, так называемый фрейм. В набор сигналов входят не только сигналы фазных напряжений, но и линейные токи, сигналы от датчиков давления и температуры.

Заключение. Цифровой измеритель напряжения на базе емкостного делителя для ячеек КРУЭ на подстанциях с цифровой техникой является перспективным направлением развития средств измерения для защит, контроля и мониторинга цифровых подстанций. Цифровой измеритель напряжения значительно превосходит традиционные трансформаторы напряжения по ряду показателей и позволяет получить требуемую точность как для каналов измерения, так и для устройств защит.

Список использованной литературы

1. Аракелян В.Г. Физическая химия элегазового электротехнического оборудования. – М.: Изд-во МЭИ, 2002.
2. Голубев Б.П., Смирнов С.Н., Бекетов М.П. Экспериментальное определение диэлектрической проницаемости шестифтористой серы при высоких параметрах состояния. – ТВТ, 1983, т. 21, № 3.