Приложение 6А (обязательное). Частотная характеристика и требования к точности маломощных измерительных трансформаторов при наличии гармонических искажений

Приложение 6А
(обязательное)

Частотная характеристика и требования к точности маломощных измерительных трансформаторов при наличии гармонических искажений

6А.1 Общие положения

Раздел 6А.2 данного приложения содержит требования к точности всех типов ММИТ при наличии шумов. Раздел 6А.3 содержит требования ко всем типам ММИТ при использовании сглаживающего фильтра или передачи данных, в том числе и для ММИТ, имеющих аналоговой выход.

Испытания ММИТ на проверку точности в зависимости от частоты входного сигнала представлены в разделе 6А.5.

6А.2 Требования к отношению "сигнал-шум"

Требования к помехам нормированы 6.603.

Выходной сигнал ММИТ может содержать некоторые помехи и шумы, характерные для электронных систем. Такие помехи (шумы) могут генерироваться в ММИТ в широкой полосе частот и при отсутствии первичного сигнала.

Примечание - Источником таких помех (шумов) могут быть тактовые (синхронизирующие) генераторы, коммутационные мультиплексоры, преобразователи d.c/d.c, коммутационные электронные переключатели.

Рекомендуется следующая процедура:

- при отсутствии первичного сигнала измеряют сигнал на выходе ММИТ при помощи анализатора спектра. Это даст возможность визуального отображения помех (шумов), производимого самим ММИТ.

Другой тип помех может быть обусловлен искажением основной частоты 50 Гц (гармонические искажения) или процессом модуляции основной частоты и высших гармоник (интергармонические искажения) на выходе вторичного конвертера. Производитель должен предоставить пользователю некоторые сведения о наличии источника помех. Можно провести простое измерение, которое позволит получить полезную информацию:

- при "чистой" синусоиде входного сигнала, номинальной частоте и амплитуде измеряют сигнал на выходе ММИТ при помощи, например, анализатора гармоник. Это даст возможность визуального отображения гармонических искажений, производимых самим ММИТ.

6А.3 Требования к сглаживающему фильтру с использованием цифровой обработки данных, применяемому в ММИТ

Цифровая обработка входных данных и их дискретизация ограничивают ширину полосы пропускания частот до половины цифровой частоты дискретизации f _s. Если использованы различные частоты дискретизации в цепи обработки входного сигнала, то самая низкая частота является ограничивающим фактором. Для ММИТ с цифровым выходным интерфейсом самая низкая частота, как правило, равна частоте дискретизации на его выходе. Частоты выше f _s/2 отражаются на частотах ниже f _s/2. С точки зрения точности наиболее критичными частотами являются те, которые влияют на частоту питающей сети f _r. Первую частоту, влияющую на f _r, определяют как

.

На рисунке 6А.1 представлен пример системы сбора и цифровой обработки данных.

f _adc - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП); f _dr - частота дискретизации на выходе

Рисунок 6А.1 - Пример системы сбора и цифровой обработки данных

Если f _adc более чем f _dr, то полоса пропускания сигнала равна f _dr/2, в противном случае полоса пропускания сигнала равна f _adc/2.

Следовательно, следует применять так называемый сглаживающий фильтр. Требования к минимальному затуханию сглаживающего фильтра помех представлены в зависимости от класса точности ММИТ в таблице 6А.1.

Таблица 6А.1 - Сглаживающий фильтр

Класс точности	Затухание, вносимое сглаживающим фильтром (f f s - f r)
0,1	34 дБ
0,2	28 дБ
0,5	20 дБ
1	20 дБ
Все классы точности	20 дБ

Затухание вычисляют по формуле

,

где - среднеквадратическое значение первичного тока при частоте f при условии, что f  f _s - f _r;

- среднеквадратическое значение сигнала на вторичном выходе при отраженной частоте, то есть при f _s - f _r;

- номинальный ток на первичном вводе;

- номинальный ток на вторичном выходе.

Для ММТН заменяют ток I на напряжение U.

6А.4 Требования к точности ММИТ при наличии гармонических сигналов и низких частот

6А.4.1 Общие положения

Вследствие использования специфических устройств [нелинейных нагрузок, гибких систем передачи переменного тока (FACTS, Flexible Alternative Current Transmission Systems), тиристорных переключателей тяговых подстанций железных дорог] в сети могут возникать гармоники. Количество гармоник зависит от назначения сети и уровня напряжения. Измерение гармонических сигналов необходимо при контроле качества электрической энергии и работе систем защиты и автоматики. На рисунке 6А.2 представлен пример маски частотной характеристики ММИТ класса точности 1 для измерений гармонических и частотных сигналов в том случае, когда f _r = 60 Гц, а f _s = 4800 Гц. Дополнительные требования для каждого класса точности изложены в следующих разделах.

- запрещенная область частотной характеристики.

Область перехода частотной характеристики для ММИТ, используемых на напряжении постоянного тока

Рисунок 6А.2 - Маска частотной характеристики класса точности 1 при применении для измерений (f _r = 60 Гц, a f _s = 4800 Гц)

6А.4.2 Требования к классам точности ММИТ для измерения при наличии гармонических и низкочастотных сигналов

В таблице 6А.2 приведены пределы погрешностей для измерительных классов точности.

Таблица 6А.2 - Требования к классам точности ММИТ для измерения при наличии гармонических и низкочастотных сигналов

Класс точности (при f r)	Амплитудная погрешность на низкой частоте		Амплитудная погрешность (+/-) при измерении гармонических сигналов					Фазовая погрешность (+/-) на низкой частоте	Фазовая погрешность (+/-) при измерении гармонических сигналов
								град	град
	0 Гц	1 Гц	2...4	5 и 6	7...9	10...13	> 13	1 Гц	2...4	5 и 6	7...9	10...13
0,1	+ 1 %	+ 1 %	1 %	2 %	4 %	8 %	+ 8 %	45	1	2	4	8
	- 100 %	- 30 %					- 100 %
0,2 (0,2S)	+ 2 %	+ 2 %	2 %	4 %	8 %	16 %	+ 16 %	45	2	4	8	16
	- 100 %	- 30 %					- 100 %
0,5 (0,5S)	+ 5 %	+ 5 %	5 %	10 %	20 %	20 %	+ 20 %	45	5	10	20	20
	- 100 %	- 30 %					- 100 %
1	+ 10 %	+ 10 %	10 %	20 %	20 %	20 %	+ 20 %	45	10	20	20	20
	- 100 %	- 30 %					- 100 %
3 и 5	-	-	-	-	-	-		-	-	-	-	-
Примечание - 0 Гц в первой колонке означает, что измерение постоянного тока допускается, но не является обязательным.

Классы точности 0,2S и 0,5S применяют исключительно для ММТТ.

Переход между значениями погрешностей, определенными в таблице 6А.2, может быть представлен прямой линией на логарифмической шкале.

Пределы погрешностей, представленные в таблице 6А.2, применяют как для ММТН, так и для ММТТ.

6А.4.3 Расширенные классы точности ММИТ для измерения при контроле показателей качества электрической энергии и при применении в системах постоянного тока

Согласно ЕН 50160 и МЭК 61000-4-7 следует измерять гармоники до 40-го порядка (а в некоторых случаях до 50-го порядка). МЭК 61000-4-7 нормирует, что относительная погрешность (отнесенная к измеренному значению) при этом не должна превышать 5 %.

Данное расширение классов точности может быть применено для всех ММИТ для того, чтобы получить надлежащие точностные характеристики в широком частотном диапазоне.

Пределы погрешности расширенных классов точности ММИТ для измерений показателей качества электрической энергии, а также низких частот представлены в таблице 6А.3.

Таблица 6А.3 - Пределы погрешности расширенных классов точности ММИТ для измерения при контроле ПКЭ и сигналов низких частот

Класс точности	Амплитудная погрешность (+/-) на частотах, представленных ниже			Фазовая погрешность (+/-) на частотах, представленных ниже
				град
	(0,1  f < 1) кГц %	(1  f < 1,5) кГц %	(1,5  f < 3) кГц %	(0,1  f < 1) кГц	(1  f < 1,5) кГц	(1,5  f < 3) кГц
0,1	1	2	5	1	2	5
0,2 (0,2S)	2	4	5	2	4	5
0,5 (0,5S)	5	10	10	5	10	20
1	10	20	20	10	20	20
Примечание - На постоянном токе фазовые погрешности не применяются.

Классы точности 0,2S и 0,5S применяют исключительно для ММТТ.

Пределы погрешности, представленные в таблице 6А.3, применяют как для ММТН, так и для ММТТ.

Пределы погрешности ММИТ для измерения, предназначенные для применения в системах постоянного тока с широкополосной характеристикой, представлены в таблице 6А.4.

Таблица 6А.4 - Пределы погрешности расширенных классов точности ММИТ для измерения при применении в системах постоянного тока

Класс точности	Амплитудная погрешность (+/-) на частотах, представленных ниже			Фазовая погрешность (+/-) на частотах, представленных ниже
				град
	(0,1  f < 5) кГц, %	(5  f < 10) кГц, %	(10 f < 20) кГц, %	(0,1  f < 5) кГц	(5  f < 10) кГц	(10 f < 20) кГц
0,1	1	2	5	1	2	5
0,2 (0,2S)	2	4	5	2	4	5
0,5 (0,5S)	5	10	10	5	10	20
1	10	20	20	10	20	20
Примечание - На постоянном токе фазовые погрешности не применяются.

Классы точности 0,2S и 0,5S применяют исключительно для ММТТ.

Представленные выше пределы погрешности применяют одинаково как для ММТН, так и для ММТТ.

6А.4.4 Требования к классам точности ММИТ для защиты при наличии гармонических и низкочастотных сигналов

Значения, представленные в таблице 6А.5, применяют для всех классов точности ММИТ для защиты. Частоты 16,7 или 20 Гц имеют отношение к возможным искажениям, возникающим на тяговых подстанциях железнодорожной дороги (для электрической сети с номинальной частотой 50 или 60 Гц).

Таблица 6А.5 - Требования к классам точности ММИТ для защиты при наличии гармонических и низкочастотных сигналов

Класс точности	Амплитудная погрешность (+/-) при измерении гармонических сигналов и на частотах, представленных ниже		Фазовая погрешность (+/-) при измерении гармонических сигналов и на частотах, представленных ниже
			град
	1-й и 3-й компонент (16,7 или 20 Гц), %	2...5 гармоники, %	1-й и 3-й компонент (16,7 или 20 Гц), %	2...5 гармоники, %
Классы точности (все) ММИТ для защиты	10	10	10	10

Представленные выше пределы погрешности применяют одинаково как для ММТН, так и для ММТТ.

6А.4.5 Класс точности специальных широкополосных ММИТ для защиты

Для некоторых применений, таких как реле бегущей волны, есть необходимость в частотах не более 500 кГц. Использование данных реле представляется перспективным решением для более точного определения местоположения повреждения. Например, новые устройства определения местоположения повреждения, основанные на этих принципах, более точные, чем традиционные на основе реактивного сопротивления. Указанная область находится на стадии развития, а ММТТ и ММТН для таких реле должны иметь относительно большой частотный диапазон, который должен быть расширен до 500 кГц. В настоящее время отсутствуют общие требования для подобного рода применения, доступные в открытых публикациях. Представленная ниже таблица и диапазон частот являются справочными.

Таблица 6А.6 - Классы точности специальных широкополосных ММИТ для защиты

Класс точности	Пиковое значение мгновенной погрешности тока (+/-) на частотах, представленных ниже
Специальный широкополосный для защиты	От f r до 50 кГц	Не более 500 кГц
	10 %	30 % (3 дБ)

Примечания

1 Реле бегущей волны специально разрабатываются для этих целей и являются специфическими реле (очень большой частотный диапазон и т.д.). Хотя традиционный ТТ может иметь достаточный частотный диапазон, однако обычно производители поставляют реле определения места повреждения вместе с трансформаторами (сенсорами) тока/напряжения и совместно с их электроникой. Фактически большинство таких устройств работают как регистраторы нарушений (искажений/помех), собирая данные, и во время обрыва проводят некоторые расчеты для обнаружения места обрыва.

2 Вследствие высокого частотного диапазона этот класс не подходит для стандартизованных цифровых выходных интерфейсов.

6А.4.6 Специальный класс точности ММТН для защиты, передающих информацию о наличии составляющей постоянного тока

ММТН этого класса должны быть способны выдавать некоторую информацию о величине постоянной составляющей в линии передачи переменного тока. При этом у пользователя отсутствует необходимость в предельно точном отображении этого напряжения. Важной является информация о полярности остаточного напряжения в линии электропередач.

Для этого специального класса также применимы все требования к гармоникам, детально описанные в 6А.4.4.

Дополнительные требования представлены в таблице 6А.7.

Таблица 6А.7 - Специальный класс точности ММТН для защиты, передающих информацию о наличии составляющей постоянного тока

Классы точности	Пиковое значение мгновенной погрешности тока (+/-) на частотах, представленных ниже
Специальный для защиты при наличии составляющей постоянного тока	От 0 Гц (постоянный ток) до f r
	10 %

Следует быть внимательным относительно перенасыщения ММТН с аналоговым выходом, подключаемого к реле, вследствие того, что реле может не разряжать вторичную цепь (постоянно присутствует напряжение постоянного тока на выходе ММТН). С цифровым выходом таких проблем не возникает.

6А.5 Испытания на соответствие класса точности ММИТ для измерения гармонических и низкочастотных сигналов

Данные испытания следует проводить для того, чтобы подтвердить соответствие ММИТ требуемой точности при измерении гармоник и сигналов низких частот, описанных в 6А.4.2. В идеальном случае испытания на проверку точности при измерении гармоник должны быть проведены при номинальном входном сигнале и номинальной частоте плюс 1 % соответствующей гармоники от номинального основного первичного сигнала. Такой входной сигнал должен обеспечить получение реальной картины электродинамической характеристики трансформатора и дать четкое представление о тех нелинейных эффектах, которые могут происходить в трансформаторе (например, интермодуляция).

Однако трудно реализовать испытательную схему, которая производила бы такой сигнал на входе. Из практических соображений принято для каждого измерения проверять точность только на одной частоте гармоники, приложенной к первичной цепи.

6А.6 Порядок проведения испытания и испытательная схема

6А.6.1 Испытание на точность при измерении гармонических и низкочастотных сигналов

Требования к частотной характеристике ММИТ, определенные в таблице 6А.2, имеют существенное значение для достижения приборной совместимости. Однако проверка этих требований может быть трудно реализуемой, так как подразумевает глубокие знания в области физических свойств и ограничений в технологии исследуемого ММИТ. При испытании частотной характеристики ММИТ следует учитывать требования к гармоникам, представленные в таблице 6А.2.

Для проведения таких испытаний необходимо применение соответствующей испытательной установки (подробное описание одной из этих установок представлено в IEC TR 61869-103).

Ферромагнитная схема, на которой базируются многие устройства (традиционные ТН и ТТ, аттенюаторные трансформаторы на входе автономного УСШ и др.), восприимчива к ферромагнитному насыщению и не может быть проверена на полном напряжении/токе в области низких частот. Для этих устройств измерения на частотах ниже номинальной частоты должны быть выполнены при испытательной величине сигнала, уменьшенной обратно пропорционально частоте:

.

При проведении испытаний устройств, основанных на катушке Роговского/катушке без сердечника, обеспечивается испытательный сигнал, величина которого увеличивается с частотой. Это необходимо для того, чтобы избежать срезания измерительного сигнала при испытании на частотах выше номинальной частоты, и должно быть выполнено с величиной испытательного сигнала, уменьшенного пропорционально частоте:

.

Оптоэлектронные устройства имеют одинаковую чувствительность к испытательному сигналу различной частоты. Испытательный уровень сигнала на различных частотах определяется прежде всего испытательными возможностями лаборатории.

Испытательные сигналы для специального класса точности ММТН для защиты, передающих информацию о наличии постоянной составляющей в линии (см. 6А.4.6), представлены в таблице 6А.8.

Таблица 6А.8 - Уровни тест-сигналов при испытании специального класса точности ММТН для защиты

Класс точности	Значение тока (или напряжения) при испытаниях на соответствие специальному классу точности (% от I pr) или (% от U pr)
	от постоянного тока до f r с шагом 10 Гц	от f r до 5-й гармоники с шагом в одну гармонику
Специальный класс точности ММТН для защиты с функцией определения постоянной составляющей в линии	20 %	20 %

6А.6.2 Типовые испытания проверки точности ММИТ для защиты при наличии наложенных помех

Степень ослабления помех вычисляют, а при испытаниях проверяют пределы погрешностей, указанных в 6А.3. По согласованию между пользователем и изготовителем подача испытательного сигнала может быть реализована на вход вторичного конвертера.

Величина первичного испытательного сигнала должна составлять не менее 1 % от номинального значения для первичной цепи.

Примечание - Вследствие наложения помехи входной и выходной сигналы имеют разную частоту, поэтому испытательные комплекты, использующие мостовые схемы, применяться не могут. Наиболее доступный способ провести испытание - это вычислить или измерить отдельно среднеквадратические значения на входе и выходе с использованием цифровой измерительной системы или простого мультиметра, в случае аналогового сигнала.