Приложение D (обязательное). Частотная характеристика и требования к точности электронных трансформаторов тока и напряжения при наличии гармоник

Приложение D
(обязательное)

Частотная характеристика и требования к точности электронных трансформаторов тока и напряжения при наличии гармоник

D.1 Общие положения

Требования в пункте D.2 относятся ко всем ЭТТ и ЭТН, требования в D.3 - к ЭТТ и ЭТН с цифровой обработкой данных или передачей с наличием аналогового выхода. Требования к точности измерения при наличии гармоник в D.4 учитываются, только если указано.

Испытание точности относительно частоты ЭТТ представлено в пункте D.5.

D.2 Общие требования

D.2.1 Нормальные условия эксплуатации сети

При нормальных условиях эксплуатации первичный ток и частота f благодаря регулировкам в сети находятся в установленных пределах. Например:

и .

При нормальных условиях эксплуатации ЭТТ, предназначенные для измерения, чаще используют отдельно, чем в комбинации с ЭТН.

D.2.2 Анормальные условия эксплуатации сети

Вследствие проблем в сети первичный ток и частота f могут значительно отличаться от их номинальных значений, например:

и .

ЭТТ, применяемые для защиты, предназначены для правильной передачи первичного тока во время нормальных и анормальных условий, чтобы к реле защиты дошла информация о любых критических изменениях в состоянии сети.

ЭТТ, используемые для измерения, не предназначены для правильной передачи изображения первичного тока во время анормальных условий, однако должны достаточно быстро восстановить номинальные характеристики после возвращения к нормальным условиям.

D.2.3 Требования к соотношению "сигнал/помеха"

Требования к помехам определены в 6.1.6.

Выход трансформатора может ощущать некоторые колебания, добавленные белым шумом, обычным для всех электронных систем. Такие колебания возникают в широкой полосе частот в отсутствие любого первичного тока. Их источником являются сигналы часов конвертеров, шумы от мультиплексорных частотных коммутаторов и преобразователей постоянного в постоянный ток.

Испытания должны быть согласованы между изготовителем и заказчиком. Рекомендуется следующая процедура:

- без первичного сигнала измеряется выход по указанным полосам пропускания (см. D.2.4) с использованием анализатора спектра, что показывает уровень шума, вызванного непосредственно измерительным трансформатором.

Другое колебание может быть обусловлено искажением основы сигнала частотой 50 Гц (созданием собственной гармоники) или основы модуляции гармоник (созданием интер гармоник на выходе вторичного конвертера). Изготовитель дает пользователю описание этого источника колебаний. Простое измерение, которое дает полезную информацию: с первичным сигналом частотой 50 Гц "чистыми" измеряют выход ЭТТ выше указанной полосы пропускания (см. D.2.4), например с использованием анализатора спектра, что может дать представление о гармоническом искажении, вызванном непосредственно измерительным трансформатором.

D.2.4 Требования к полосе пропускания

Изготовитель должен предоставить кривую функции передачи трансформатора, которая будет давать полное представление о его частотных свойствах.

Для трансформатора с цифровой передачей данных производитель определяет максимальную частоту , при которой измерения проводят без искажения. Это частота, которую можно измерить и правильно передать. Трансформатор с цифровым выходом обычно использует половину диапазона выходных данных. Функцию передачи устанавливают по крайней мере вдвое превышающей (например, до нормы диапазона данных).

D.2.5 Другие требования

Когда к электронным частям трансформатора подключают электропитание, в переходном процессе запуска могут появляться большие выходные сигналы, не связанные с каким-либо выходом системы электроснабжения. Та же ситуация наблюдается и при прерывании сети. Такие ложные сигналы, вполне нормальные для электронной системы, могут привести к неправильному функционированию, если сработает реле.

Пользователь должен знать об этом при проектировании системы управления.

Для электронных трансформаторов с цифровым выводом эта ситуация никаких проблем с реле не создает, потому что информация самодиагностики, содержащаяся в цифровых структурах, указывает на недостоверные данные.

Для электронных трансформаторов с аналоговым выходом рекомендуют следующие простые меры предосторожности:

- обеспечение как можно меньшего количества ложных сигналов после запуска и отключения;

- включение прежде подачи сигналов на соответствующие реле.

Фильтры, включенные в трансформаторе, могут также ограничить пропускание переходного процесса по амплитуде или по возможности привести к затуханию высокочастотного колебания при таких анормальных условиях, как замыкание в линии или переключение выключателя. Эти ошибки, если случаются, вызывают неправильную работу быстродействующих реле из-за переходной реакции и дифференциальной защиты шины (широкополосные быстродействующие дифференциальные схемы).

Хороший способ убедиться в правильной работе трансформатора в таких ситуациях - подвергнуть его испытанию на включение/выключение или коротким замыканием с полной асимметрией и проверкой его выхода в течение всего цикла.

Примечание - Та же проблема возникает с традиционными трансформаторами, часто попадающими в резонанс или феррорезонанс: их кривая передачи не является плоской, а реакция на быстрый переходный процесс может быть сложной.

D.3 Требования к электронным трансформаторам тока и напряжения с цифровой передачей и обработкой данных

Следующие требования предъявляют к трансформаторам как с цифровым, так и с аналоговым выходом, имеющим цифровую передачу или обработку данных. Типовое испытание описано в D.5.2.

D.3.1 Требования к сглаживающему фильтру

Цифровая передача данных ограничивает полосу пропускания (, см. D.2.4) к половине цифровой выборки или используемого диапазона данных. Если по ходу передачи применяют различные диапазоны, то самая низкая частота является ограничивающим фактором. Частоты выше отображаются, как частоты ниже их. С точки зрения точности самыми критическими являются частоты, обозначенные как .

Первая частота , выражена как 2 - . Следовательно, должны использоваться так называемый сглаживающий фильтр и выполняться следующие требования:

Полоса затухания дБ.

Обычно равняется половине диапазона , т.е. ( = 2 ). Если или 2 - неизвестны, они могут быть определены фильтрацией частоты первичного сигнала.

Затухание рассчитывают согласно следующей формуле:

,

где - среднеквадратическое значение первичного тока при частоте f, с ;

- среднеквадратическое значение вторичного выхода при отображенной частоте, т.е. при 2;

- номинальный первичный ток;

- номинальный вторичный вывод.

Для ЭТН ток I заменяют напряжением U, например:

Для диапазона данных = 2400 Гц и = 50 Гц = 1200 Гц, 2 - = 2350 Гц.

Если имеется 10% данных от при 2350 Гц, то погрешность измерений при составит не более 0,1%.

D.3.2 Примеры сглаживающих фильтров

Рисунок D.1 показывает пример системы для обработки цифровых данных.

Рисунок D.1 - Система получения цифровых данных

Обычно больше (в этом случае , в противном случае ).

Если частота оцифровки равна номинальной частоте сбора данных , то цифровой фильтр не является обязательным. В этом случае рекомендуют аналоговые фильтры Бесселя, например:

- 4-го порядка;

- с критической частотой ;

- с функцией переходного процесса (запись в цифровой форме Лапласа):

,

где .

Преимущество такого фильтра:

- отличные переходные характеристики (отсутствие выбросов в процессе регулирования, короткое время регулирования);

- естественное затухание для частот выше нормированной частоты опроса данных;

- постоянная групповая задержка выше полосы пропускания, означающая, что угол фазового сдвига является линейной функцией частоты до (приблизительно).

Влияние фильтра на угол фазового сдвига - то же, что и чистая задержка, включенная в систему передачи, чем можно пренебречь при условии, что эквивалентное время задержки включено в номинальное.

Эквивалентное время задержки фильтра Бесселя равно .

Дискретизация с запасом по частоте и использование цифровых фильтров обеспечивают существенные преимущества, например:

- простоту аналогового входного фильтра;

- уменьшение проблем с допуском или температурным дрейфом аналоговых компонентов.

Для цифрового фильтрования рекомендуют FIR-фильтры, имеющие постоянную групповую задержку и хорошие переходные характеристики. Чтобы сконструировать фильтр, необходим перестановочный алгоритм Ремеза (или алгоритм уравнивания колебаний Паркса - МакСтеллана).

Рекомендуют фильтры Бесселя с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры), переведенные в цифровую область, с z-трансформацией, гарантирующей максимальную фазовую линейность и постоянную групповую задержку. Использование общей билинейной передачи не рекомендуется.

D.4 Требования к точности при наличии гармоник

Примечание - К ЭТТ и ЭТН применяют различные классы точности, определенные в следующих пунктах.

D.4.1 Общие классы точности

В результате использования определенных устройств (нелинейные нагрузки, железная дорога и др.) могут быть сгенерированы гармоники, количество которых зависит от сети и уровня напряжения: они представляют интерес при измерениях в их присутствии, определении показателей качества электроэнергии и срабатывании защиты. Для каждой из указанных потребностей задают классы точности (КТ). Требования к точности трансформаторов с цифровым выходом такие же, как и с аналоговым выходом. Типовые испытания представлены в D.5.1.

D.4.1.1 Измерение мощности

КТ	Токовая погрешность (коэффициента) (+/-) на гармонике, %				Угловая погрешность (+/-) на гармонике
					градусы				сантирадианы
	2 и 4	5 и 6	7 и 9	10 и 13	2 и 4	5 и 6	7 и 9	10 и 13	2 и 4	5 и 6	7 и 9	10 и 13
0,1	1	2	4	8	1	2	4	8	1,8	3,5	7	14
0,2	2	4	8	16	2	4	8	16	3,5	7	14	28
0,5	5	10	20	20	5	10	20	20	9	18	35	35
1	10	20	20	20	10	20	20	20	18	35	35	35

При таких условиях влияние гармоник на погрешность измерения в худшем случае будет возрастать приблизительно на 15%. Теоретическая погрешность при измерении мощности (например, для класса 0,2 ЭТТ и ЭТН) соответствует классу 0,4 для электроэнергии, передаваемой на частоте 50 Гц. Так как электроэнергия, передаваемая гармониками, также измеряется, то ее полная погрешность будет иметь небольшое значение 0,4% + 0,15 0,40% = 0,46%, что вполне приемлемо.

D.4.1.2 Измерение показателей качества электрической энергии

Согласно EN 50160 и МЭК 61000-4-7 для таких целей измеряют гармоники до 40-го порядка (в некоторых случаях даже до 50-го). МЭК 61000-4-7 указывает, что относительная погрешность измеренного значения не должна превышать 5%. Если необходимо дополнительное измерение фазовых углов, соответствующая погрешность не может превышать 5°.

Класс точности	Токовая погрешность (+/-), на гармонике, %		Угловая погрешность (+/-) на гармонике
			градусы		сантирадианы
Специальное измерение	1 и 2	с 3 по 50	1 и 2	с 3 по 50	1 и 2	с 3 по 50
	1	5	1	5	1,8	9

D.4.1.3 Защита для традиционного применения

Для традиционного применения используют гармоники до 5 разряда (16,66 или 20 Гц), способные отражать особенности проявления железнодорожной промышленной частоты.

Класс точности	Токовая погрешность (+/-), на гармонике, %		Угловая погрешность (+/-) на гармонике
			градусы		сантирадианы
	1/3 (16,7 или 20 Гц)	с 2 по 5	1/3 (16,7 или 20 Гц)	с 2 по 5	1/3 (16,7 или 20 Гц)	с 2 по 5
Все классы защиты ХРХХ	10	10	10	10	18	18

D.4.1.4 Сравнение с традиционными электронными трансформаторами тока и напряжения

Класс измерения показателей качества электроэнергии требует работы, которая не может быть выполнена традиционным трансформатором: ЭТН функционирует хуже по частоте, чем ЭТТ. Кроме того, некоторые трансформаторы, такие как ТТН, настраиваются на очень узкой полосе пропускания и не соответствуют требованиям классов защиты или измерения (см. D.4.1.2 и D.4.1.3).

D.4.2 Специальные классы точности

D.4.2.1 Специальный широкополосный класс точности для защиты

Применение некоторых трансформаторов, например с реле блуждающего тока, требует частот с верхним пределом 500 кГц. Использование таких реле вместе с широкополосным трансформатором представляется перспективным решением для более точного определения местоположения неисправности. Новые устройства, основанные на данных принципах, должны быть гораздо точнее обычных. Такие реле пока широко не введены в эксплуатацию и находятся в процессе развития, но подходящие для них ЭТТ и ЭТН должны иметь очень широкий диапазон частот, а именно до 500 кГц.

	Класс точности	Максимальная пиковая мгновенная погрешность (+/-) при частоте
	Специальный широкополосный для защиты	От до 50 кГц
		10%

Полоса пропускания (частота среза 3 дБ) электронного трансформатора должна быть по крайней мере 500 кГц.

Примечания

1 Реле блуждающего тока предназначено специально для этой цели и очень четко нормировано (в частности, имеет очень широкую полосу пропускания и т.д.). Обычно производитель поставляет реле обнаружения неисправностей вместе с датчиками тока/напряжения и необходимую для них электронику. Фактически многие подобные устройства действуют точно также, как регистраторы, запоминая данные о неисправности и выполняя некоторую последующую обработку для определения ее местонахождения.

2 Из-за широкой полосы пропускания этот класс не подходит для стандартизированных цифровых выходов.

D.4.2.2 Специальный класс точности защиты для электронных трансформаторов напряжения, передающих информацию о наличии постоянного тока

ЭТН определяют напряжение постоянного тока в линии в случае, например, образования заряженных потенциалов. При этом пользователю не нужно очень точного изображения: важна информация о полярности остаточного напряжения в линии.

Для этого специального класса также применяют все требования к гармоникам, детально описанные в D.3.1.3.

Дополнительные требования

	Класс точности	Максимальная пиковая мгновенная погрешность (+/-) при частоте
	Специальный класс защиты от постоянного тока (для ЭТН)	От 0 Гц (постоянный ток) до
		10%

Примечание - Следует иметь в виду, что при использовании аналогового выхода, который может насыщать подключенные к реле входные трансформаторы, ЭТН не может разрядить линию (на его выходе постоянно присутствует смещение постоянного тока), в то время как с цифровым выходом таких проблем не возникает.

D.5 Проведение испытаний и испытательные цепи

D.5.1 Испытание на проверку точности в зависимости от наличия гармоник

Для испытаний цепей можно выбрать одну из представленных в В.6.2 или С.4.

Испытательный ток подается от усилителя мощности ЭТТ. В качестве эталонного обычно используют последовательное подключение коаксиального шунта, рекомендованного при испытаниях в цепи короткого замыкания.

Для испытания ЭТН рекомендуют общепринятые устройства: сигнальные усилители напряжения для передачи данных в распределительной сети общего назначения, вырабатывающие синусоидальные волны в диапазоне от 110 до 148,5 кГц с подходящими для этой цели величинами (для получения более подробной информации см. EN 50160).

Согласно приведенным таблицам для каждой указанной гармонической частоты применяют первичный ток/напряжение и рассчитывают амплитудную и фазовую погрешности сравнением эталона с испытуемым трансформатором в соответствии с известными процедурами (см. приложение В для цифрового выхода).

Испытательные токи и напряжения для обобщенных классов точности (D.4.1)

	Величина токов (% ) или напряжений (%)
	2 и 5 гармоники	6 гармоника и выше
	10	5

Испытательные токи и напряжения для специальных классов точности (D.4.2)

Класс точности	Величина токов (или напряжений) для испытаний точности в переходных условиях (% ) или (% )
	0 Гц, постоянный ток	постоянный ток до	от до частоты 5 гармоники	от частоты 5 гармоники до 250 кГц
Специальный широкополосный	-	20	10	5
Специальный для ЭТН постоянного тока	100	20	20	-

D.5.2 Типовые испытания на проверку фильтрования

Измерение частоты выходного сигнала показывает, является ли частота первичного сигнала 2 действительным отражением .

Ослабление и пределы сигналов, данные в D.3.1, проверяют.

Величина первичного сигнала должна быть по меньшей мере в пределах 1% номинальной.

Вследствие эффекта наложения входной и выходной сигналы имеют разные частоты, поэтому испытательные установки с мостовыми схемами не используют. Самый легкий способ испытания состоит в вычислении или измерении среднеквадратических значений отдельно на входе и выходе с помощью цифровой системы для цифровой части и простого мультиметра - для аналоговой части.