Приложение В (информативное). Техническая информация

Приложение В
(информативное)

Техническая информация

В.1 Введение

В ЭТН могут использоваться емкостные и резистивно-емкостные делители напряжения и/или оптические устройства, укомплектованные электронными компонентами для передачи и усиления измеренных сигналов.

Приложение дает необходимую информацию о работе в установившемся и переходном режимах эксплуатации.

Для этого полезно создать модель ЭТН, которая упростит рассмотрение теоретических вопросов.

В.2 Общие положения

В.2.1 Определения

Первичное и вторичное напряжения могут быть описаны следующими уравнениями:

;

,

где - среднеквадратическое значение первичного напряжения при и ;

- среднеквадратическое значение вторичного напряжения при и ;

f - фундаментальная частота сети;

- значение составляющей напряжения постоянного тока в первичной цепи, обусловленное остаточными зарядами (В);

- значение составляющей напряжения постоянного тока во вторичной цепи, вызванное и/или внутренним напряжением смещения ЭТН (В);

- первичное фазовое смещение в радианах;

- вторичное фазовое смещение в радианах;

- первичное напряжение нулевой последовательности, включая гармоники и субгармоники;

- вторичное напряжение нулевой последовательности, включая гармоники и субгармоники;

t - мгновенное значение времени в секундах.

f, , , , , - постоянные величины для установившихся условий.

Для совмещенных ЭТН для измерения и защиты должны быть проведены корректные измерения указанных составляющих при частоте f.

Другие члены представленных выше уравнений описывают нежелательные явления в сети, которые могут влиять на погрешность измеренного сигнала.

В.2.2 Нормальные условия в сети

При нормальных условиях в сети первичное напряжение и частота f достаются в пределах установленных ограничений за счет работы системы регулирования в сети, например:

;

.

При нормальных условиях в сети ЭТН, спроектированные для измерения, находят широкое применение в сочетании с токовыми трансформаторами.

В.2.3 Аварийный режим работы в сети

Вследствие аварий в сети (описанных в В.4.1.1) первичное напряжение и частота f могут значительно отличаться от номинальных значений.

ЭТН, используемые для измерения, должны выдерживать эти ситуации без повреждения, но их класс точности в этом случае не определен настоящим стандартом и может быть предметом соглашения между производителем и заказчиком.

ЭТН, используемые для защиты, предназначены для корректной передачи сигнала при нормальных условиях и аварийных режимах, чтобы обеспечить срабатывание защитного реле при любой критической ситуации в сети.

В.2.4 Выбор номинальных значений вторичного напряжения

Как правило, электронное оборудование питается от биполярного источника напряжения 12 или 15 В, что позволяет получать на выходе максимальные значения выходного сигнала 10 В практически со стопроцентной линейностью. Номинальные значения вторичного напряжения ЭТН должны быть выбраны таким образом, чтобы максимальные значения оставались в пределах данного диапазона.

Например:

С учетом коэффициента напряжения = 1,9 и коэффициента, отражающего напряжение смещения, вызванного остаточными зарядами, = 2 и при номинальном значении В (среднеквадратическом) для заземляемых ЭТН максимальное значение вторичного напряжения равно:

.

В.3 Установившееся состояние

В установившемся состоянии значение составляющей смещения постоянного напряжения остается неизменным:

;

;

;

.

В.4 Переходные процессы

В.4.1 Теоретические выкладки

В.4.1.1 Процессы в сети

Многие процессы в электрических сетях за пределами нормальных условий эксплуатации должны быть учтены при проектировании высоковольтного оборудования. Например, от некоторых из них напрямую зависит конструкция изоляции или требования к передаче сигнала. Ниже представлены наиболее важные явления в сети, которые необходимо учитывать.

a) Длительное перенапряжение в сетях

В зависимости от удаленности участков сети от мощных источников электроснабжения может происходить длительное повышение уровня напряжения по сравнению с номинальным значением. Перенапряжение выражается коэффициентом, на который должно быть помножено номинальное напряжение.

Как правило, значение коэффициента длительного перенапряжения принимают равным 1,2.

b) Короткое замыкание на землю в трехфазной сети с незаземленной нейтралью

Короткое замыкание на землю одной фазы в трехфазной сети с незаземленной нейтралью ведет к перенапряжениям на двух незатронутых фазах. Теоретически коэффициент перенапряжения на этой фазе равен квадратному корню из 3. Однако этот коэффициент зависит от расстояния ЭТН до точки короткого замыкания на землю сети. Замыкание на землю может продолжаться до нескольких часов (или даже дней) для некоторых участков сети, труднодоступных зимой.

Обычное значение коэффициента временного перенапряжения - 1,9 для 8 ч.

c) Атмосферные разряды на высоковольтных линиях электропередач

Молнии вызывают высокую степень перенапряжения в высоковольтном оборудовании, которое может достигать уровня мегавольт. К счастью, продолжительность такого перенапряжения обычно длится несколько микросекунд и сопровождается импульсом электроэнергии в оборудовании с временем нарастания фронта 1 мкс, что ведет к созданию напряжения частотой в несколько мегагерц и опасно для всей изоляции вследствие наличия паразитных емкостей.

Наихудший эффект от этого явления наблюдается в участках сети с переходом от одного значения внутреннего сопротивления к другому, например от линии электропередачи к силовому трансформатору, когда волновое сопротивление линии намного меньше, чем сопротивление трансформатора. В таких случаях отраженная волна может быть вдвое больше начального значения напряжения.

Такие перенапряжения часто ведут к кратковременным прерываниям напряжения в сети с образованием искрового промежутка, действующего как ограничивающее устройство. Система защиты распознает возникновение дуги как короткое замыкание на землю и активизирует прерыватель (автоматический выключатель) сети. Этого обычно достаточно, чтобы устранить появление дуги, затем автоматический выключатель повторно включается.

d) Коммутационные процессы

Другие явления вызваны коммутационными действиями в высоковольтных сетях. Это может привести к паразитному резонансу с переходными перенапряжениями, которые имеют частоты, отличные от номинальной частоты сети в диапазоне от нескольких килогерц до мегагерца в подстанциях с газовой изоляцией (GIS) и главным образом определяемые фактической конфигурацией сети.

Кроме того, образование дуги в выключателях также ведет к переходным эффектам с перенапряжениями. Как включение, так и выключение небольших индуктивных потоков может вызвать перенапряжения, обусловленные резонансом между нелинейными компонентами и емкостями.

Другие явления в сети описаны ниже в В.4.1.2.

В.4.1.2 Типы переходных процессов

Многие типы переходных процессов, возникающих вследствие перенапряжений и коммутационных действий, описаны в В.4.1.1.

В качестве средств защиты от перенапряжений применяются множество различных устройств, таких как искровые разрядники и вариаторы. С одной стороны, они необходимы для защиты сети и ее компонентов, с другой, могут также привести к переходным процессам, к которым электроника должна быть устойчива. Очень важно, чтобы ЭТН, предназначенные для точной передачи сигнала, были разработаны с учетом таких процессов в сети. Следовательно, требования к измерительным ЭТН должны предусматривать высокочастотные характеристики, в частности до нескольких килогерц.

Другие переходные процессы включают в себя внезапные изменения первичного напряжения вследствие короткого замыкания непосредственно на измеряемую фазу или на землю, или на одну из соседних фаз, как описано в В.4.1.1. Эти процессы, происходящие в пределах времени в несколько миллисекунд, ЭТН должен воспроизводить с соответствующей точностью.

Проблема переходных процессов, происходящих в сети, наиболее важна для ЭТН с емкостным делителем в качестве датчика высокого напряжения, поскольку он становится объектом образования эффекта остаточного заряда.

Во время размыкания линии или кабеля под напряжением в ЭТН, в том числе и на емкостном делителе, может остаться заряженный потенциал. Если линия не заземлена или не разряжается подключенным к ней низкоимпедансным устройством, заряд может сохраняться в течение нескольких дней.

Смысл явления проще понять с помощью рисунка В.1. Уровень зарядного потенциала зависит от фазы напряжения в момент отключения. Наихудший случай при пиковом значении напряжения означающем, что первичный конденсатор делителя , заряжен (сохраняя заряд , а вторичный разряжен параллельным резистором , подключенным к устройству.

Когда линия включена снова, низковольтное внутреннее сопротивление сети разряжает ее мгновенно, что вынуждает заряд от перетекать к . Таким образом, будет заряжаться при условии:

,

что приблизительно равно

.

Это напряжение уменьшается в геометрической прогрессии (по экспоненте) с постоянной времени , наложенной на синусоидальный сигнал, что в результате приводит к существенной ошибке измерения (см. рисунок В.2).

Наихудший эффект от этого апериодического процесса - магнитное насыщение сердечников, встроенных непосредственно в ЭТН или в подключенные к нему защитные реле.

Решение этой проблемы - использование смешанного резистивно-емкостного делителя, передающего неискаженный сигнал в течение переходного процесса.

Рисунок В.1 - Схематическая диаграмма, объясняющая эффект остаточного заряда

Рисунок В.2 - Напряжения при наличии эффекта остаточного заряда

В.4.1.3 Уравнения для и

Теоретически переходной процесс, возникающий в сети, может быть описан с использованием следующих уравнений (см. В.2.1):

- первичное напряжение: ;

- вторичное напряжение: .

Внезапное изменение одного или более параметров, представленных в уравнениях, создает условия для возникновения переходных процессов.

Сравнение и дает представление о качестве работы ЭТН при таких процессах.

Таблица В.1 - Эффект короткого замыкания в первичной цепи

	t <	t =	t + ()
II	См. уравнение выше	0	0
		0	0
I|	См. уравнение выше	I|	0,1I|
* Пределы: см. требования в 13.6.2.
Примечание - - время короткого замыкания.

Таблица В.2 - Эффект зарядного потенциала

	t <	t =	< t <	t
		0	0
	0			0
I|	См. уравнение выше	I|	II	*
* Пределы: см. требования в 13.6.2.
Примечание - В таблице представлен наихудший случай, когда происходит размыкание линии при и ее повторном включении при с противоположной для полярностью. - время размыкания автоматического выключателя. - время повторного включения автоматического выключателя.

В.4.1.4 Простейшая модель (схема замещения) ЭТН

В.4.1.4.1 Общие положения

Когда практическое испытание ЭТН невозможно, его поведение должно быть проверено моделированием. Это требует согласования между производителем и заказчиком относительно схемы замещения ЭТН и программного обеспечения процесса моделирования.

Моделирование обычно используется и в других областях электротехники, например при программном обеспечении ЕМТР (программа расчета электромагнитных переходных процессов) вместо реальных испытаний для проверки корректности поведения автоматического выключателя в сети.

В.4.1.4.2 Модель (схема замещения) ЭТН

Идентичная модель должна применяться при коротком замыкании первичных вводов и при повторном включении линии с остаточными зарядами. Соглашение между производителем и заказчиком может базироваться на сравнении результатов, полученных при реальном испытании во время короткого замыкания и с помощью его программного моделирования. Модель должна принимать в расчет нелинейность ЭТН.

Рисунок В.3 - Пример упрощенной схемы-замещения ЭТН

ЭТН при переходном процессе может быть представлен в соответствии со схемой, приведенной на рисунке В.3. Модель должна учитывать параметры сети и нелинейность индуктивного магнитного трансформатора TR.

Моделирование может быть выполнено с различным программным обеспечением, например ЕМТР, Saber, Spice и т.д.

- параллельная или последовательная нагрузка трансформатора, которая должна соответствовать требованиям настоящего стандарта.

Моделирование всей испытательной установки проводится согласно В.4.3.

В.4.1.5 Влияние эффектов переходных процессов на работу защитных реле

На высоковольтных подстанциях ЭТН подключены к защитным реле, входной каскад которых содержит индуктивные магнитные трансформаторы напряжения, обеспечивающие гальваническую развязку. Их размеры малы, а первичная обмотка сделана из очень тонкого провода.

Следовательно, эти трансформаторы очень чувствительны к присутствию на входе любой составляющей постоянного тока, которая может вызвать насыщение их магнитных сердечников. Возникающая в результате этого перегрузка по току приводит к тепловому перегреву первичной обмотки.

Потребителю и заказчику следует обратить внимание на проверку работы защитных реле при наличии в ЭТН зарядных потенциалов, что особенно важно для передачи напряжения постоянного тока или очень низкой частоты.

В.4.2 Определение погрешности при переходном процессе

Мгновенная погрешность напряжения (коэффициента масштабного преобразования) определяется формулой:

,

где - номинальный коэффициент трансформации.

В.4.3 Испытания на устойчивость к переходным процессам

В.4.3.1 Испытания обычных трансформаторов напряжения на устойчивость к переходным процессам

В МЭК 60186 только емкостные ТН должны соответствовать требованиям по устойчивости к переходным процессам, где принимается во внимание только короткое замыкание в первичной цепи.

Испытание может проводиться методом записи двух выходных сигналов: первый - с емкостного трансформатора, второй - с эталонного устройства, измеряющего первичное напряжение и дающего точное определение момента времени, в который произойдет короткое замыкание. Правильность работы трансформатора контролируется прямым измерением остаточного первичного напряжения.

В.4.3.2 Испытания электронных трансформаторов напряжения на устойчивость к переходным процессам

В.4.3.2.1 Общие положения

В В.4.2 показано определение мгновенной погрешности ЭТН для переходного процесса формулой

.

Эта формула может быть выражена следующим образом:

.

Используя определение погрешности для установившегося режима:

,

можем выразить функцией от

.

Замещая этим выражением в предыдущей формуле, получаем

.

Принимая во внимание, что

,

можем упростить испытательную процедуру формулой:

.

Примечания

1 Нагрузка может иметь существенное влияние на устойчивость и стабильность работы ЭТН при переходных процессах. Настоящий стандарт определяет два типа нагрузок: последовательную и последовательно-параллельную, используемых во время испытания.

2 Испытания на устойчивость к переходным процессам считаются законченными, если охватывают все реальные ситуации в сети, такие как возникновение короткого замыкания в первичной цепи и повторное включение сети с наличием заряженных потенциалов.

3 Переходные процессы могут существенно влиять на номинальное время задержки (см. В.5). Чтобы избежать нежелательных воздействий на защитные реле, необходимо рассмотреть два случая:

a) зависимость между номинальным временем задержки ЭТН и ЭТТ отсутствует.

Испытание может быть выполнено без внешней коррекции номинального времени задержки ;

b) ЭТН и ЭТТ, используемые совместно, имеют общее номинальное время задержки.

Испытание может быть выполнено с применением встроенного между эталонным трансформатором и дифференциальным усилителем устройства задержки времени, которое должно быть установлено на значение, определяемое формулой

,

где и - значения, указанные на табличке с паспортными данными.

В.4.3.2.2 Короткое замыкание в первичной цепи

При испытании на устойчивость к короткому замыканию в первичной цепи для t > 0.

Таким образом, формула в В.4.3.2.1 будет иметь вид:

,

что является математическим выражением требований, указанных в настоящем стандарте.

Примечание - является пиковым значением вторичного выходного напряжения ЭТН для t < 0 (прежде чем происходит короткое замыкание). Эта упрощенная формула позволяет не ссылаться на калиброванное значение первичного напряжения при коротком замыкании первичной цепи. Необходимо знать только точный момент времени, в который оно произошло.

В.4.3.2.3 Повторное включение линии при наличии в ней остаточного заряда

Для случая, когда t < 0

;

.

Для случая, когда t 0

;

.

Для случая, когда t 0

;

Заменяя и на их выражения, получаем

.

с

;

.

Уравнение для содержит только синусоидальные компоненты и является погрешностью ЭТН в установившемся режиме. Если он правильно отрегулирован, то ею можно пренебречь.

В этом случае учитывается только погрешность , являющаяся основной составляющей при переходном режиме.

В наихудшем случае . Таким образом, постоянная времени ЭТН для значения имеет существенное влияние при выборе испытательной процедуры.

Различают два метода испытания: для малых и больших значений постоянной времени ЭТН.

В.4.3.2.3.1 Малые значения постоянной времени

Если значение уменьшается с постоянной времени менее 100 мс, возможно применение испытательной установки, как показано на рисунке В.4.

Рисунок В.4 - Испытательная установка для малых значений постоянной времени

Последовательность действий:
а) СВ1 разомкнут	СВ2 закорочен	Зарядка высоковольтных конденсаторов до значения ;
(, емкость ЭТН и т.д.)
b) CB1 разомкнут	СВ2 разомкнут	Источник высокого напряжения постоянного тока отключен от цепи ;
с) СВ1 закорочен	СВ2 разомкнут	Повторное включение источника напряжения переменного тока с номинальным значением , которое накладывается на зарядный потенциал напряжения постоянного тока.

В.4.3.2.3.2 Большие значения постоянной времени

Если значение уменьшается с постоянной времени более 100 мс, возможно применение испытательной установки, представленной на рисунке В.5.

Рисунок В.5 - Испытательная установка для больших значений постоянной времени

Форма волны изображена на рисунке В.6.

Рисунок В.6 - Типичная форма волны е (t) во время испытания

В.5 Разное

В.5.1 Время задержки

В.5.1.1 Определение

ЭТН могут включать передачу цифровой информации и обработку данных. Необходимое для этого время может быть учтено в уравнении для вторичного напряжения (см. 2.1.29) с заменой (t) на :

,

где - время задержки.

В.5.1.2 Влияние на точность в стабильно-устойчивом режиме

В стабильном состоянии время запаздывания должно быть выражено как:

Полный угол фазового сдвига , определенный в 2.1.32 как

,

в данном случае может быть представлен тремя компонентами:

,

где - номинальное значение постоянного смещения угла фазового сдвига ЭТН;

- угол фазового сдвига, вызванный временем задержки;

- погрешность угла фазового сдвига напряжения.

Сдвиг фаз может быть вызван влиянием температуры и изменением частоты. Настоящий стандарт требует, чтобы класс точности имел пределы для значения , которые могут быть выражены как

.

Рассматриваются два варианта.

В.5.1.2.1 Вариант 1

Малые значения , для которых соблюдается условие:

.

В этом случае не влияет на точность и им можно пренебречь.

В.5.1.2.2 Вариант 2

Большие значения приводят к тому

,

и в этом случае им нельзя пренебречь.

Однако, если ЭТН предназначен для использования вместе с ЭТТ, при измерении энергии большое значение (общее для обоих трансформаторов) не будет иметь влияния на точность, если оно удовлетворяет следующему выражению:

.

Следовательно, значения , являющиеся номинальным смещением фазы и , должны быть указаны в табличке с паспортными данными ЭТН.

Требования к углу фазового сдвига проиллюстрированы рисунком В.7.

Рисунок В.7 - Требования к углу фазового сдвига

В.5.2 Требования к ЭМС

В.5.2.1 Общие требования

ЭТН должны быть спроектированы с возможностью выдерживать сложные ситуации, возникающие на высоковольтных подстанциях, где могут присутствовать множественные источники помех. Большинство из них подробно описаны в существующих стандартах, которые можно использовать для контроля соответствия ЭТН этим требованиям. Последующие пункты разъясняют применение стандартов. Для более детальной информации необходимо обратиться к серии стандартов МЭК 61000-4.

В.5.2.2 Испытание на устойчивость к ЭМС

В.5.2.2.1 Общие положения

ЭТН являются аналоговой системой, и их класс точности проверяется измерительным мостом, поэтому для них очень сложно определить влияние электромагнитных помех на точность измерения. Как правило, установки для испытаний на ЭМС требуют применения между объектом испытания и подключенными к нему цепями высокоомной развязки, которая может в значительной степени влиять на погрешности измерения. По этой причине невозможно выполнить испытания ЭТН на ЭМС с одновременным подтверждением его класса точности.

В.5.2.2.2 Паразитные эффекты

Вследствие наличия паразитных емкостей следует соблюдать осторожность, чтобы избежать непосредственного влияния помех на выходные контакты.

В.5.2.3 Низкочастотные помехи

Основная область применения ЭТН - высоковольтные подстанции, где датчик первичного напряжения и вторичный конвертер могут быть разделены большими расстояниями, поэтому потенциалы земли обоих компонентов могут быть различными. Если связь между датчиком напряжения и конвертером осуществлена электрическим кабелем, то он может находиться под воздействием помех промышленной частоты. Эти помехи вызывают существенные паразитные сигналы, которые могут смешиваться с измеряемым напряжением, влияя на точность. Это явление зависит от места установки.

В.5.2.4 Рекомендации по месту установки

Влияние помех может быть минимизировано при соответствующем месте установки ЭТН на энергообъекте, где чрезвычайно важны:

- контур заземления подстанции;

- подключение заземления;

- расположение электрических кабелей.

В общем случае установка ЭТН должна быть выполнена в соответствии с рекомендациями серии стандартов МЭК 61000, относящихся к ЭМС.

В.5.3 Рекомендации по надежности

Из-за различий в технологиях, используемых при изготовлении ЭТН, основные показатели надежности также будут отличаться. Поэтому испытания на отказ или другие тепловые испытания подлежат согласованию между производителем и заказчиком.

Если ЭТН включает в себя систему самодиагностики, то выявленные повреждения будут подтверждаться выходным сигналом, который можно использовать для того, чтобы избежать ложного отключения защитного реле.