РАЗРАБОТКА ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОГРЕШНОСТЕЙ
, аспирант, ассистент кафедры электроэнергетических систем СФ МЭИ
Актуальность и проблематика научной работы
В последнее время в энергетике России возросли требования к точности учета и измерений потребляемой мощности в сетях среднего напряжения. Заменой индукционных счетчиков электрической энергии на электронные с более высоким классом точности часто не удается достигнуть требуемой точности. Одна из основных причин этого в том, что измерительные трансформаторы напряжения (ТН) эксплуатируются за пределами допустимого ГОСТом диапазона изменений их номинальных параметров, что приводит к увеличению их погрешностей и, как следствие, искажению показаний счетчиков.
Проблема повышения точности учета электроэнергии получила актуальность в связи с ростом нагрузок ТН на существующих и новых подстанциях за счет подключения к ним не только систем учета электроэнергии, но и датчиков устройств телеизмерений и устройств РЗиА, что обусловило перевод их в более низкий класс точности и к необходимости на ряде вновь вводимых подстанций устанавливать по две и более ячейки с ТН 6-10 кВ на секцию сборных шин. Однако установка дополнительных ТН на уже действующих подстанциях не всегда возможна.
Вместе с ростом нагрузок изменился и их характер. Нагрузка вторичных цепей ТН стала нелинейной. Нелинейные нагрузки помимо основной гармоники генерируют токи высших гармоник, которые увеличивают кажущуюся полную мощность, по величине которой и осуществляется оценка погрешностей ТН.
В технически-развитых странах для повышения точности измерения напряжения начали применять различные методы компенсации погрешностей ТН, которые позволяют повысить нагрузочную способность ТН до его максимальной мощности по условиям нагрева. В отсутствии правовой и методической основы в нашей стране этому вопросу не уделяется должного внимания, а предложенные технические решения несовершенны и требуют дополнительных исследований.
Задача компенсации погрешностей ТН рассматривалась локально для определенных типов ТН и при определенных видах нагрузки (несимметрия нагрузок, витковая коррекция при изготовлении, компенсация недоучета электроэнергии). В то же время в условиях эксплуатации, факторы, влияющие на появление погрешностей ТН, могут проявляться в разной степени и порой случайно. Задача разработки устройства, реагирующего на эти изменения, и автоматически компенсирующего погрешности измерений, является актуальной.
Цель работы – оценка характера нагрузок ТН в современных условиях эксплуатации, разработка методики оценки погрешностей ТН от нелинейной нагрузки, повышение нагрузочной способности ТН с помощью устройств автоматической компенсации погрешностей.
Задачи исследования.
1. Провести анализ нагрузки ТН от современных приборов учета, измерения и диагностики в электрических сетях. Исследовать процессы возникновения погрешностей ТН в режиме нелинейной нагрузки вторичных цепей и разработать методику, позволяющую определить фактический уровень погрешностей ТН в условиях эксплуатации.
2. Разработать алгоритм компенсации погрешностей ТН, в том числе многообмоточных, позволяющий компенсировать погрешности холостого хода и нагрузочные погрешности во всем допустимом диапазоне изменения влияющих факторов и разработать на его основе имитационную модель устройства автоматической компенсации погрешностей ТН. Исследовать с помощью модели эффективность работы устройства в зависимости от первичного напряжения, величины и характера нагрузочного тока.
3. Разработать макет устройства автоматической компенсации погрешностей ТН и произвести его опытную проверку в лабораторных условиях и условиях промышленной эксплуатации. Произвести сравнительный анализ эффективности компенсации погрешностей при воздействии различных влияющих факторов.
Методы исследования.
Научные и практические результаты научной работы получены с использованием: фундаментальных положений теории электромагнитного поля, методов теории электрических цепей, теории расчета измерительных трансформаторов, математических методов численного решения систем дифференциальных уравнений.
Материалы исследования.
Материалы исследования могут быть разделены на два раздела.
В первом разделе произведен анализ характера нагрузок ТН от современных приборов учета, измерения и диагностики в электрических сетях. Сделан вывод о том, что такие нагрузки имеют нелинейных характер. Произведено исследование процессов возникновения погрешностей ТН от нелинейной нагрузки вторичных цепей. В результате разработана методика, позволяющая определять фактический уровень погрешностей ТН в условиях эксплуатации.
Вторая часть научной работы посвящена исследованию и разработке устройства автоматической компенсации погрешностей измерительных ТН. Предлагается построить такую систему, в которой падения напряжения в обмотках ТН измеряются и добавляются к напряжению вторичной обмотки ТН.
Была разработана принципиальная схема устройства автоматической компенсации погрешностей ТН. Разработанная схема приведена на рисунке 7. Данная схема была протестирована в программном комплексе NI Multisim для различных вариантов величины и характера нагрузки.
Рисунок 7 – Принципиальная схема устройства автоматической компенсации погрешностей ТН.
По итогам исследования получены следующие результаты:
1. Разработана методика оценки погрешностей ТН при нелинейной нагрузке вторичных цепей.
2. Разработан алгоритм автоматической компенсации погрешностей ТН, обеспечивающий компенсацию нагрузочных погрешностей при любом характере нагрузки.
3. Разработана конструкция устройства автоматической компенсации погрешностей ТН, обеспечивающего возможность работы измерительного трансформатора в заданном классе точности при нагрузке, равной максимальной по условиям нагрева, т. е. при более эффективном расходе активных материалов.
4. Разработка может быть применена для замены ТН на существующих подстанциях энергосистемы, а также на вновь сооружаемых подстанциях. Это позволит в результате либо снизить количество ТН, либо повысить их допустимую нагрузку в заданном классе точности. Таким образом, внедрение предлагаемой разработки позволит повысить точность учета электроэнергии на высоковольтных подстанциях, а также снизить затраты на изготовление и обслуживание ТН
Техническая значимость.
1. Разработанная методика расчета погрешностей ТН может быть применена для оценки фактических погрешностей ТН, находящихся в условиях эксплуатации, с учетом и без учета высших гармонических составляющих исходя из параметров ТН, приводимых в его паспорте.
2. Разработанный алгоритм компенсации погрешностей ТН может быть использован для разработки и настройки наиболее эффективных устройств компенсации погрешностей ТН.
3. Разработанное устройство автоматической компенсации погрешностей позволяет свести к нулю погрешности ТН во всех режимах работы и поднять их нагрузочную способность в разы, вплоть до максимальной мощности, допустимой по условиям нагрева, что позволит отказаться от установки дополнительных ТН на подстанциях энергосистемы.
Список публикаций по теме научной работы
1. , Артемов погрешностей трехобмоточных трансформаторов напряжения Информационные технологии, энергетика и экономика / Сб. трудов 12-ой Межрег. (Межд.) науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – Смоленск, 2015.
2. , Артемов оценки погрешностей трансформаторов напряжения в распределительных сетях 6-35 кВ. / Сб. трудов Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (МНПК «ЛЭРЭП-9-2015») – Смоленск, 2015.
3 , К вопросу оценки потерь активной мощности от высших гармоник тока в трансформаторах напряжения. / Сб. трудов Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (МНПК «ЛЭРЭП-9-2015») – Смоленск, 2015.
4 , Артемов фактических погрешностей трансформаторов напряжения в условиях эксплуатации «Энергетика, информатика, инновации-2015». / Сб. трудов Международной научно-технической конференции. В 2 томах. Т 1. – Смоленск: Универсум, 2015.
5 , Артемов напряжения как нелинейный элемент «Энергетика, информатика, инновации-2015» / Сб. трудов Международной научно-технической конференции. В 2 томах. Т1. – Смоленск: Универсум, 2015
