Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы измерения механических величин

Диссертационная работа:

Нефедьев Дмитрий Иванович. Методы и средства измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей в электроэнергетике : диссертация... д-ра техн. наук : 05.11.01 Пенза, 2006 405 с. РГБ ОД, 71:07-5/434

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

Глава 1. Состояние вопроса измерений относительных величин в электроэнергетике 17

1.1. Области применения измерительных масштабных преобразователей в электроэнергетике 17

1.2. Методы измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения 19

1.3. Методы измерения коэффициентов преобразования измерительных шунтов постоянного тока 45

1.4. Методы измерения коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов напряжения 57

1.5. Методы измерения коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов тока 71

Основные результаты и выводы по главе 1 81

Глава 2. Развитие теории измерений коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей 82

2.1. Проблемы измерений относительных (безразмерных) величин в электроэнергетике 82

2.2. Развитие теории тестовых методов измерения электрических величин 85

2.3. Разработка и исследование комбинированного метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей 100

Основные результаты и выводы по главе 2 145

Глава 3. Измерение коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей постоянных высоких напряжений и больших токов 147

3.1. Измерение коэффициентов преобразования (деления) высоковольтных делителей постоянного напряжения 147

3.2. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения 170

3.3. Измерение коэффициентов преобразования (шунтирования) шунтов постоянного тока 185

3.4. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования шунтов постоянного тока 198

Основные результаты и выводы по главе 3 203

Глава 4. Измерение коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей переменных высоких напряжений и больших токов 205

4.1. Измерение коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов напряжения 205

4.2. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования измерительных трансформаторов напряжения 249

4.3. Измерение коэффициентов преобразования (трансформации) измерительных трансформаторов тока 270

4.4. Анализ погрешностей измерения коэффициентов преобразования измерительных трансформаторов тока 284

Основные результаты и выводы по главе 4 288

Глава 5. Практическая реализация средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей 291

5.1. Средства поверки (калибровки) измерительных трансформаторов напряжения 291

5.2. Средства поверки (калибровки) измерительных трансформаторов тока 342

5.3. Средства калибровки высоковольтных делителей постоянного напряжения 348

Основные результаты и выводы по главе 5 358

Заключение 360

Перечень основных сокращений и обозначений 364

Список литературы 365

Приложения 3 82 

Введение к работе:

Проблемы обеспечения единства измерений в области измерительной техники, предназначенной для коммерческого и технического учёта электроэнергии в электроэнергетической отрасли России, продолжительное время считались второстепенными и малозначащими. На протяжении десятков лет этой проблеме не уделялось достаточного внимания [13, 53], что объяснялось якобы стабильными метрологическими характеристиками измерительных масштабных преобразователей (трансформаторов напряжения и тока), низкой стоимостью электроэнергии и сложностью решения проблемы.

В электроэнергерике в настоящее время периодической поверкой (калибровкой) на местах эксплуатации охвачены только счётчики электроэнергии. Измерительные трансформаторы тока и напряжения, высоковольтные делители напряжения работают на энергообъектах по 15-30 и более лет без периодической поверки. Источники возникновения погрешностей высоковольтных измерительных трансформаторов при их эксплуатации известны: из-за старения материалов, нарушения условий и электрических режимов работы погрешности трансформаторов могут превышать допускаемые пределы в несколько раз. Стоящая последние 15-20 лет задача обеспечения периодической поверкой измерительных масштабных преобразователей на местах их эксплуатации не решается [13, 53,63,67,97,99,104].

Однако развитие энергетики в рыночных условиях и связанное с этим повышение точности и достоверности коммерческого учёта электрической энергии приводит к необходимости совершенствования метрологической базы в области высоковольтной измерительной техники на постоянном и переменном токе.

В соответствии с законами РФ «Об обеспечении единства измерений», «Об энергоснабжении», рядом других нормативных документов средства измерений, используемые для коммерческого учёта электрической энергии и обеспечения безопасности, подлежат обязательному государственному контролю и надзору.

Однако необходимо сказать, что потребность в поверке средств измерений в электроэнергетике диктуется сегодня не только (и не столько) буквой закона [54], но, прежде всего, технической и экономической целесообразностью [28].

До конца 80-х годов прошлого века доля электроэнергии в себестоимости промышленной продукции составляла несколько процентов и не превышала 16-28 % даже в энергоёмких производствах, таких как электролиз алюминия. При этом объёмы электроэнергии, относимые к потерям, составляли порядка 9-14%, что не создавало экономической заинтересованности в повышении точности и достоверности учёта. В настоящее время доля энергоресурсов в себестоимости машиностроительной продукции возросла до 20 % и выше, а в энергоёмких отраслях (электролиз алюминия) - до 60 %. Увеличились до 25-30 % и объёмы электроэнергии, относимые к потерям в энергосистемах, что создаёт экономическую необходимость сделать «прозрачными» составляющие прямых экономических потерь, как у потребителей, так и у поставщиков и производителей электроэнергии [87].

Как показывают результаты проведённых за рубежом исследований (Словакия, США, Швеция, Украина), до 30-40 % находящихся в эксплуатации измерительных трансформаторов обладают погрешностями, превышающими установленные пределы, нередко - в несколько раз [87]. Аналогичные исследования проводились и в нашей стране [52, 68, 69, 85, 139]. Это свидетельствует о низкой точности измерения и недостоверности коммерческого учёта огромного потока электрической энергии, а так же обактуальности проблемы.

Существенно заметить, что электроэнергия постоянного тока составляет значительную долю в объеме всей электроэнергии, вырабатываемой в России (около 40 %). Её довольно широко используют в энергетике и в современной промышленной технологии, например, в электрометаллургии, при получении цветных металлов и некоторых химических продуктов методом электролиза из расплавов или растворов, нанесении покрытий методами гальваники, на электрифицированном железнодорожном, шахтном и городском транспорте и т.д. Как правило, названные технологические процессы основаны на использовании тока силой в сотни, тысячи, а также десятки и сотни тысяч ампер [148]. При этом вопросам поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей постоянных высоких напряжений и больших токов также не уделяется должного внимания.

Необходимо отметить еще один аспект данной проблемы. Поскольку измерительная техника, применяемая в электроэнергетике, в основном является нетранспортабельной [87], то поверку (калибровку) средств измерений (в частности, высоковольтных) целесообразно проводить на местах их эксплуатации с применением передвижных средств поверки (калибровки) без демонтажа и при минимальном времени вывода указанных средств из эксплуатации.

По этому пути идёт развитие программы метрологического обеспечения высоковольтной измерительной техники в ведущих метрологических организациях мирового сообщества. Ведущие приборостроительные фирмы мира, такие как Guildline Instruments (Канада), Landis&Gyr (Швейцария), Tettex AG (Швейцария), Siemens (Германия), Messwandler-Bau (Германия) и др. ведут поиск путей совершенствования методов и средств калибровки высоковольтной измерительной техники именно в этом направлении [51].

Из всех задач, связанных с повышением точности коммерческого учёта электроэнергии, задача обеспечения поверки (калибровки) высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения и тока непосредственно на местах их эксплуатации, а также задача обеспечения калибровки высоковольтных делителей постоянного тока и шунтов постоянного тока носят первостепенный характер.

Успешное решение проблемы повышения точности коммерческого учёта электрической энергии требует, с одной стороны, дальнейшего повышения точности средств измерений электрической энергии -счётчиков электрической энергии, измерительных трансформаторов напряжения и тока, высоковольтных делителей напряжения, с другой стороны, приводит к необходимости совершенствования метрологических характеристик средств поверки и калибровки указанных средств измерений на месте их эксплуатации.

Поэтому первоочередной задачей в деле метрологического обеспечения коммерческого учёта электроэнергии является разработка мобильных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей, позволяющих проводить поверку измерительных масштабных преобразователей на месте их эксплуатации в нормальных для них рабочих условиях и обладающих по сравнению с известными улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Создание средств поверки (калибровки) такого типа обеспечивает возможность повышения точности учёта электрической энергии без замены эксплуатирующихся трансформаторов тока и напряжения на более точные, что может быть обеспечено путём использования действительного значения коэффициента трансформации измерительных трансформаторов при расчётах электроэнергии. При этом коэффициент трансформации измерительных трансформаторов определяется в конкретных условиях эксплуатации с реальной нагрузкой во вторичной цепи трансформатора [97,И9].

Решение проблемы создания мобильных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей на местах их эксплуатации связано с поиском путей совершенствования существующих методов поверки и разработкой новых методов и принципов построения средств поверки (калибровки), которые обеспечивают возможность экспериментального определения погрешностей указанных средств в рабочих условиях эксплуатации, так как известные средства поверки высоковольтных масштабных преобразователей имеют общий недостаток - невозможность экспериментального определения их погрешностей независимым методом. Погрешности указанных средств могут быть оценены только на основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования.

Кроме этого, в такой стране как Россия целесообразно децентрализованное воспроизведение безразмерной единицы -коэффициента преобразования и её передача поверяемым (калибруемым) измерительным масштабным преобразователям.

Актуальной проблемой научных исследований является разработка децентрализованной системы воспроизведения и передачи размеров единиц на основе более активного использования автономных средств поверки и самоповерки [81, 151]. Несмотря на то, что самоповерка (независимая поверка) средств измерений изучена, казалось бы, детально, выявилось, что многие вопросы независимой поверки разработаны недостаточно. В частности, наибольшие трудности представляют вопросы независимой поверки масштабных преобразователей переменных высоких напряжений и больших токов [64].

Существует еще ряд теоретических и практических аспектов, которые ограничивают точность средств поверки измерительных масштабных преобразователей. Один из них - это оценка погрешностей средств поверки измерительных масштабных преобразователей на основе теоретического анализа составляющих погрешности. Как показывает практика, теоретическая оценка погрешности высоковольтных средств измерений, основанная на анализе уравнения измерения и поэлементном экспериментальном исследовании, является необходимой, но совершенно недостаточной.

Анализ источников [21,29, 60-62, 84, 135, 152,153, 161] показал, что наиболее перспективным с точки зрения создания наиболее эффективных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей является разработка новых методов и принципов построения средств измерений, которые реализуют возможность проверки метрологической исправности средств поверки в процессе их эксплуатации и обеспечивают возможность децентрализованного воспроизведения единиц относительной величины - коэффициентов преобразования. В связи с этим вполне понятно, что разработка методов и создание средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей (измерительных трансформаторов тока и напряжения, высоковольтных делителей напряжения, измерительных шунтов) в широком диапазоне напряжений и токов, в особенности передвижных, которые должны иметь устойчивость к вибрации, сравнительно небольшую массу при высокой точности и возможности их независимой поверки, связана с преодолением ряда теоретических и практических трудностей.

Значительный вклад в развитие теории и практики поверки средств измерений в разное время внесли такие зарубежные и отечественные учёные и специалисты как Kusters N. L., Peterson О., Lewis R. N., Hill D.,

Карандеев К. Б., Волгин Л. И., Тарбеев Ю. В., Рождественская Т. Б., Бажов В. М., Спектор С. А., Векслер М. С, Загорский Я. Т., Копшин В. В., Мчедлидзе Г. В., Тавдгиридзе Л. Н., Дудкевич Б. Н., Хахамов И. В. и др.

Существует большое количество частных решений задач метрологического обеспечения измерительных масштабных

преобразователей, которые анализируются в соответствующих разделах. Однако они не систематизированы. Отсутствует единый подход к реализации процедур поверки (калибровки). Выбор средств измерений часто произволен, что снижает достоверность получаемых результатов. В то же время число фундаментальных исследований, посвященных решению задач метрологического обеспечения измерительных масштабных преобразователей невелико и они не отражают последние достижения в этой области.

Цель работы состоит в развитии методологической и теоретической основ проектирования эталонных средств измерений, обеспечивающих децентрализованное воспроизведение и передачу размеров относительных единиц измерительным масштабным преобразователям и реализующих возможность автономного поддержания единства измерений в процессе эксплуатации.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач: анализ методов измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей для обоснования основного направления работ;

- развитие теории измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей на основе избыточности измерений;

- разработка, теоретическое и экспериментальное исследование методов измерения коэффициентов преобразования высоковольтных делителей постоянного напряжения, измерительных шунтов постоянного тока, измерительных трансформаторов тока и напряжения;

- разработка основных технических решений для создания мобильных эталонных средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей на постоянном и переменном токе.

Методы исследований. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теории тестовых методов повышения точности измерений с использованием положений теоретической метрологии, элементов математической статистики, дифференциального исчисления и математического моделирования, а также экспериментальном исследовании всех предложенных в работе методов измерений и последующих испытаниях аппаратуры, реализующей эти методы. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакетов программ MathCAD и MathLAB. В работе также использован опыт, накопленный в результате разработки, изготовления и внедрения средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Пензенском государственном университете и Научно-производственной фирме «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.).

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Предложен, разработан и теоретически исследован комбинированный метод измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей на основе избыточности измерений, получены общие уравнения измерения коэффициентов преобразования и уравнения погрешности. Показана возможность реализации на основе предложенного метода всех типов средств измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей.

2. Разработаны и теоретически обоснованы методы измерения коэффициентов деления высоковольтных, реализующие в своей основе комбинированный метод измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, основанные на применении в качестве эталонных средств измерений резистивных высоковольтных делителей постоянного напряжения с распределенными параметрами, высоковольтных делителей постоянного напряжения на основе стабилитронов, батарей сухих элементов с устройствами сравнения в виде прецизионных компараторов напряжений или прецизионных компараторов токов совместно с преобразователями напряжений.

3. Предложены, разработаны и теоретически исследованы методы измерения коэффициентов шунтирования шунтов постоянного тока на основе тестового метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, с применением в качестве эталонных средств измерений составных мер сопротивления с ненормируемой погрешностью и устройств сравнения в виде компараторов напряжений или компараторов токов.

4. На основе комбинированного метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей разработаны и теоретически обоснованы методы измерения коэффициентов трансформации однофазных и трехфазных измерительных трансформаторов напряжения, основанные на применении в качестве эталонных средств измерений емкостных или индуктивных делителей напряжения с распределенными параметрами и компараторов токов.

5. Предложены, разработаны и теоретически исследованы методы измерения коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов тока на основе тестового метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, основанные на применении в качестве эталонных средств измерений составных мер сопротивления с ненормируемои погрешностью и компараторов тока.

6. Предложенные методы измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей доведены до практических рекомендаций по применению.

7. Разработаны принципы построения средств поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей постоянных и переменных высоких напряжений и больших токов.

Практическое значение и реализация результатов работы.

1. Теория, разработанные методы и принципы построения средств измерений положены в основу создания мобильных эталонных средств измерений для поверки (калибровки) измерительных масштабных преобразователей постоянных и переменных высоких напряжений и больших токов на местах их эксплуатации в рабочих условиях.

2. В период с 2000 по 2005 г. разработаны и внедрены в производство в научно-производственной фирме «ИНТ» передвижные установки для поверки измерительных трансформаторов напряжения УПТН-1 (сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.34.004.A №14258), УПТН-35 (сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.34.001A №18616), УПТН-2.

3. Установка УПТН-1 внедрена в метрологическую практику в ОАО «ПЕНЗАЭНЕРГО» (г. Пенза), ЗАО «КАЛИБР» (г. Самара), ООО НПФ «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.), установка УПТН-35 - в ФГУ «Астраханский ЦСМ» (г. Астрахань), ООО «Электротехник» (г. Воронеж) и ООО НПФ «ИНТ», установка УПТН-2 - в ООО НПФ «ИНТ».

4. В результате проведенных теоретических и практических исследований также разработаны следующие средства измерений: макетный образец установки для поверки трехфазных измерительных трансформаторов напряжения УПТН-10-3;

- макетный образец установки для калибровки измерительных трансформаторов напряжения частот 50-2000 Гц УКТН-ЮД;

- макетный образец установки для поверки измерительных трансформаторов тока УПТТ-20;

- установка для калибровки высоковольтных делителей постоянного напряжения УКДН-30.

Установка УКДН-30 внедрена в метрологическую практику в ФГУП «НИИЭМП» (г. Пенза), «Юго-Восточная железная дорога» - филиал ОАО «РЖД», ООО НПФ «ИНТ».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на отечественных международных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах, а также на ежегодных научно-технических конференциях Пензенского государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 51 печатных работ, в том числе 1 монография, 16 статей в журналах по списку ВАК, 12 патентов РФ на изобретение и 3 свидетельства РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка из 172 наименования и приложений. Общий объем работы - 4 страниц. Библиографический список и приложения выполнены на 41 странице.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Анализ проблем и постановка задач измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей, предназначенных для коммерческого и технического учета электроэнергии.

2. Теоретическое обоснование метода измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей на основе комбинации тестового метода измерения и метода независимой поверки.

3. Новые методы измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей постоянных и переменных высоких напряжений и больших токов, реализующие предложенный метод измерения.

4. Средств измерений - мобильные установки для поверки (калибровки) измерительных трансформаторов тока и напряжения, высоковольтных делителей постоянного напряжения.

Подобные работы
Бабаев Сергей Сергеевич
Разработка координатного метода и средства измерения угла и параметров отклолнений формы конических поверхностей деталей машин
Кострикина Инна Анатольевна
Методы и средства измерений электрических параметров материалов для оценивания влажности
Бирюков Сергей Владимирович
Методы и средства измерения напряженности электрических полей, обеспечивающие уменьшение погрешности и расширение пространственного диапазона измерения
Дулов Олег Александрович
Методы и средства измерения шумовых и малосигнальных параметров мощных биполярных транзисторов для целей контроля их качества
Свистунов Борис Львович
Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей
Черепанов Виктор Яковлевич
Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей
Жарков Владислав Владимирович
Разработка и исследование методов и средств диагностики электрических машин на основе измерения их полей рассеяния
Джикаев Георгий Вячеславович
Измерительные преобразователи больших переменных токов в электроэнергетике
Казначеева Анна Олеговна
Разработка методов и средств шумоподавления в томографии
Киселев Сергей Константинович
Разработка и исследование методов и средств автоматизации поверки щитовых электроизмерительных приборов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net