Эталоны и поверочные установки для средств измерений параметров электроэнергии. Состояние и перспективы

УДК 681.2.089

Эталоны и поверочные установки для средств измерений параметров электроэнергии. Состояние и перспективы

С. Р. СЕРГЕЕВ, ООО «НПП Марс-Энерго»

В статье рассматривается оборудование для поверки средств электрических измерений, применяемых в электроэнергетике, как в условиях лаборатории, так и в условиях их эксплуатации. Указанные средства и методы поверки и калибровки представляют интерес для метрологических служб организаций, предприятий отрасли и изготовителей средств электрических измерений.

Постоянное повышение требований к точности измерений в электроэнергетике требует изменений в метрологическом обеспечении учёта электроэнергии и измерений на всех этапах – от генерации до потребления. Эта тенденция приводит к необходимости увеличения числа эталонов 1-го разряда, обеспечивающих поверку рабочих средств электрических измерений (СИ) классов точности 0,05...0,2. Эталоны 1-го разряда периодически (как правило, раз в год) поверяются на первичных эталонах метрологических институтов  (ВНИИМ, ВНИИМС, УНИИМ). Но первичный эталон для одной величины – один на всю Россию (и СНГ), а эталонов 1-го разряда становится всё больше и больше. Поэтому «НПП Марс-Энерго» совместно с институтами метрологии были выполнены работы по созданию и подготовке серийного выпуска вторичных эталонов:

• Установки электроэнергетические эталонные «ВЭТ-МЭ 1.0»;
• Установки эталонные «ВЭТ 175-1».

Низковольтные измерения

В 2012 г. утвержден новый «Государственный первичный эталон единицы электрической мощности в диапазоне частот 1 - 2500 Гц «ГЭТ 153-2012», в создании которого компания «НПП Марс-Энерго» принимала активное участие. Ряд основных элементов эталона изготовлен в «НПП Марс-Энерго»: источник фиктивной мощности, низкоиндуктивные шунты, резистивный делитель напряжения. Также с участием «НПП Марс-Энерго» создавалось программное обеспечение для эталонного комплекса. Новый Государственный первичный эталон возглавил поверочную схему для средств измерений (СИ) электрической мощности и энергии в расширенном диапазоне частот от 1 до 2500 Гц [1]. Звеньями этой схемы, непосредственно осуществляющими передачу единиц активной и реактивной мощности (энергии) от ГЭТ 153-2012 рабочим эталонам, являются однофазный и трехфазный вторичные эталоны единицы электрической мощности (ВЭТ 153.1 и ВЭТ 153.3). Кроме основной задачи – передачи единиц мощности, воспроизведенной в виде однофазной мощности при синусоидальной форме кривых тока и напряжения, вторичные эталоны должны решать задачи расширения функций первичного эталона, и в частности обеспечить:

- передачу единиц трехфазным СИ, в том числе при несимметричных системах напряжений и токов, при искаженных формах кривых напряжения и тока;

- передачу единиц трехфазным СИ показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в соответствии с новыми межгосударственными стандартами;

- и, в перспективе, передачу единиц СИ векторных величин, синхронизированных с UTC, с входными и/или выходными сигналами, соответствующими протоколам стандарта IEC 61850-9-2LE.

Установка «ВЭТ-МЭ 1.0» (рисунок 1) обеспечивает передачу единиц электрической мощности от Государственного первичного эталона единицы электрической мощности ГЭТ 153-2012 рабочим эталонам и СИ электрической мощности и электрической энергии и измерение ряда электроэнергетических величин (в том числе параметров активной и реактивной мощности) в диапазонах:

- напряжения – от 0,01 до 576 В и при номинальных значениях поддиапазонов: 0,07; 0,7; 7, 60, 120, 240 и 480 В;

- силы тока – от 0,01 А до 44 А (для поддиапазонов измерения в соответствии с номинальными токами шунтов ШЭ);

- частоты основной гармоники (f₁) – от 16 до 450 Гц;

- угла сдвига фаз между основными гармониками напряжения и тока – от 0 до ±180 градусов;

- напряжения и тока гармоник (до 50-й).

 

Таблица 1 – Основные характеристики шунтов переменного тока ШЭ.В состав установки входят низкоиндуктивные шунты переменного тока ШЭ с номинальными токами от 0,01 до 100 А и характеристиками, указанными в таблице 1.

Вторичный эталон позволяет передавать единицы величин, указанных в таблице 2, эталонам первого разряда, например, поверочным установкам с границами погрешностей измерений ±(0,01...0,05)%. Также вторичный эталон передает величины параметров гармо­ник (до 50) и интергармоник.

Таблица 2 – Основные характеристики ВЭТ-МЭ 1.0

Для выполнения поверки широкой номенклатуры электроизмерительных приборов, измерителей (анализаторов) ПКЭ и счетчиков электроэнергии классов точности до 0,05 в «НПП Марс-Энерго» с 2004 г. выпускается установка поверочная универсальная УППУ-МЭ. Установки  эксплуатируются в большинстве ЦСМ РФ и в СНГ, в метрологических службах крупных предприятий электроэнергетики, а также на заводах-изготовителях электросчетчиков и измерительных преобразователей.

В настоящее время в «НПП Марс-Энерго» выпускается 2 вида поверочных установок типа УППУ-МЭ: стационарная и переносная.

Стационарная (лабораторная) поверочная установка УППУ-МЭ 3.1КМ-С

В 2012-13 г.г. была проведена разработка новой установки. Необходимость этой разработки вызвана потребностями промышленности и, как следствие, метрологических служб в эталонных СИ, позволяющих поверять новые типы приборов, соответствующих новым стандартам. Практически новая установка стала прототипом вторичного эталона.

Эталонный прибор «Энергомонитор 3.1КМ», входящий в состав установки, (Гос. реестр №52854-13) имеет расширенные диапазоны измерения, что позволяет поверять ваттметры с напряжением до 800 В, вольтметры от 1 до 900 В и электросчетчики прямого включения с током до 120 А. Основная погрешность измерения активной мощности ±0,01 %.

Источник испытательных сигналов (генератор) и эталонное СИ монтируются в приборной стойке. Одна из модификаций обеспечивает дополнительно поверку СИ постоянного тока. Установка с использованием калиброванных катушек позволяет поверять токоизмерительные клещи и СИ с клещами на номинальных токах до 3000 А.

Управление установкой осуществляется с помощью встроенной клавиатуры и графического дисплея блока «Энергоформа-3.1» и прибора «Энергомонитор - 3.1КМ», либо на АРМ с помощью программного обеспечения (ПО) «Энергоформа».

Для типовых испытаний СИ и электросчетчиков при искаженной форме сигнала на компьютере задаются требуемые параметры: гармоники и их фазы, действующие значения первых гармоник тока и напряжения.

В комплект Установки (рисунок 2) дополнительно может быть включен Преобразователь  постоянного тока и напряжения в частоту типа «ПТНЧ» (№ 34892-07) предназначенный для:

- поверки измерительных преобразователей, имеющих выходной информационно-измерительный сигнал в виде постоянного напряжения или тока;

- обеспечения многоместной поверки счетчиков электрической энергии с импульсным выходом.

Рисунок 2 - УППУ-МЭ 3.1КМ-С

Для одновременной поверки трёх однофазных шунтовых электросчётчиков с I_н до 100А в состав «УППУ-МЭ» может входить устройство для поверки шунтовых счётчиков «УПШС».

Основные преимущества по сравнению с предыдущей моделью:

- увеличено быстродействие;

- увеличена мощность: до 45 В∙А для фазы напряжения и 300 В∙А для фазы тока;

- расширены диапазоны значений напряжения от 0,1 до 960 В и тока до 120А;

- добавлена возможность поверки СИ постоянного тока;

- добавлены возможности поверки СИ (анализаторов) ПКЭ, выпускаемых по стандарту ГОСТ 30804.4.30-2013 [2];

- улучшены эргономические показатели и пр.

УППУ-МЭ 3.1КМ-С позволяет передавать единицы величин эталонам второго разряда  с классом точности 0,05.

Переносная поверочная установка УППУ-МЭ

Задачу поверки большинства низковольтных рабочих СИ электроэнергетики в полевых условиях на месте эксплуатации многие годы позволяет решать комплект средств поверки УППУ-МЭ 3.3Т1-П. Его новые модификации позволяют выполнять поверку большинства рабочих СИ (в т.ч. электросчётчиков класса точности до 0,5S и анализаторов качества) как в лабораторных, так и в полевых условиях. В состав УППУ-МЭ 3.3Т1-П входит переносной эталонный прибор Энергомонитор 3.3Т1 и переносной программируемый трехфазный источник тока и напряжения (фиктивной мощности) Энергоформа-3.3-12 (до 12 А).

Для поверки СИ класса точности 0,05 (в т.ч. электросчётчиков 0,2S) в составе установки УППУ-МЭ 3.1КМ-П используется эталонный прибор Энергомонитор 3.1КМ-П (кл. т. 0,05 или 0,02).

Для поверки счётчиков электроэнергии прямого включения в составе установки используется источник фиктивной мощности Энергоформа-3.3-100, выходной фазный ток которого увеличен до 120 А.

ПО «Энергоформа» управляет и эталонным прибором, и источником.

Для удобства пользователей была выпущена методика поверки электросчётчиков на местах эксплуатации МИ 3322-2011 [3], которая уточняет стандартные методики в части применения новых средств поверки.

В 2016 г. введен новый стандарт ГОСТ Р 56750-2015 «Счетчики электрической энергии с аналоговыми входами, подключаемые к маломощным датчикам...» [4], где датчик тока (напряжения) – это электрическое, оптическое или другое устройство, генерирующее сигнал напряжения, пропорциональный измеряемому току (напряжению) по величине и имеющий фиксированный фазовый сдвиг между первичной величиной и вторичным сигналом напряжения. Метрологическое обеспечение данного вида счетчиков нуждается в дальнейшей нормативно-технической поддержке и развитии.

Высоковольтные измерения

Вторичный эталон «Установка высоковольтная «ВЭТ 175-1» предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы коэффициента масштабного преобразования в диапазоне значений от 10 до 3300 и угла фазового сдвига в диапазоне значений от 0 до 0,1 радиана напряжения переменного тока в диапазоне значений от 1 до 330/√3 кВ промышленной частоты в соответствии с ГОСТ 8.746-2011 [5]. Первые экземпляры этих вторичных эталонов внесены в федеральный реестр эталонов и один из них применяется в метрологической службе «НПП Марс-Энерго» для поверки эталонов 1-го разряда – таких, как высоковольтные эталонные трансформаторы, масштабные преобразователи напряжения.

Предприятие «НПП Марс-Энерго» имеет эталоны 1-го разряда для передачи единиц коэффициента и угла фазового сдвига масштабного преобразования напряжения и тока:

- измерительные трансформаторы тока и напряжения класса точности 0,01;

- приборы сравнения «Энергомонитор-3.1КМ Н-02-001-2-0-50» с погрешностями определения модуля коэффициента масштабного преобразования ±0,002% и угла фазового сдвига ±0,1 мин.

«НПП Марс-Энерго» аккредитовано на право поверки СИ. Это позволяет выпускать соответствующие эталонные масштабные преобразователи. Накоплен опыт работ на базе передвижной лаборатории высоковольтной метрологической «МЭ-Аудит» (ЛВМ). Применение ЛВМ обеспечивает комплексное метрологическое обслуживание АИИС КУЭ. Были выпущены и аттестованы новые методики поверки и измерений для СИ, входящих в АИИС КУЭ и АСУ ТП. ЛВМ внесена в Госреестр СИ под № 37652-08. В состав ЛВМ на базе спецавтомобиля включены комплекты оборудования для выполнения поверки на местах следующих СИ:

- измерительные трансформаторы тока (ТТ) до 30 кА;

- измерительные трансформаторы напряжения (ТН) до 330 кВ;

- счётчики электроэнергии;

- прочие электроизмерительные приборы из состава подстанций (ПС).

Для периодической поверки ТН на месте эксплуатации при помощи преобразователей напряжения высоковольтных  серии ПВЕ, входящих в состав ЛВМ, выпущена рекомендация МИ 3050-2007 [6]. Эта методика применяется для поверки однофазных ТН класса точности 0,2 и класса напряжений от 6 до 110 кВ. Все блоки из комплекта ЛВМ могут переноситься одним человеком в т.ч. в закрытые КРУ.

Для поверки одно- и трёхфазных ТН от 6 до 35 кВ выпускается мобильная поверочная трехфазная установка типа «УПТВ-3». Разработана соответствующая методика поверки ТН на местах эксплуатации МИ 3239-2009 [7]. «УПТВ-3» может включаться в состав ЛВМ.

Для поверки однофазных ТН от 35 до 330 кВ выпускается установка поверочная высоковольтная однофазная «УПВО-1-35 (110; 220; 330)», которая также состоит из комплекта переносного оборудования и может входить в состав ЛВМ. Для этого разработана соответствующая методика поверки ТН на 220-330 кВ на местах эксплуатации МИ 3314-2011 [8]. По метрологическим характеристикам УПВО-1 полностью соответствует требованиям ГОСТ 8.216-88:

- для поверки ТН класса точности 0,2 используется ПВЕ кл. т. 0,05;

- для поверки ТН класса точности 0,5 используется ПВЕ кл. т. 0,1.

С 2007 г. выпущено более 60 ЛВМ «МЭ-Аудит», которые комплектуются по требованиям Заказчика и успешно эксплуатируются предприятиями энергосистемы от Калининграда до Сахалина, а также в странах Таможенного союза. Все указанные методики и описания приборов доступны на сайте www.mars-energo.ru . Таким образом, возникшие в практической метрологии проблемы с поверкой электромагнитных ТН 6-330 кВ на местах эксплуатации успешно решены с помощью ЛВМ.

Ещё одна задача, решаемая в настоящее время, - это поверка перспективных электронных ТН и ТТ, выпускаемых по ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010 и  ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010. Они в первую очередь будут использоваться на цифровых ПС ПАО «Россети». В 2013 г. «НПП Марс-Энерго» выполнена ОКР по разработке эталонного комплекса для поверки электронных трансформаторов, в т.ч. с выходными измерительными сигналами по протоколу стандарта IEC 61850-9-2LE. Комплекс КЭТ-61850 (рисунок 3) обеспечивает их первичную поверку при выпуске из производства.

Рисунок 3. КЭТ-61850-НТ

В дальнейшем должен быть создан передвижной эталонный комплекс для периодических поверок на местах. С этой целью проводится разработка переносного прибора сравнения нового поколения Энергомонитор-61850. 

ВЫВОДЫ

Таким образом, выпускаемая линейка СИ позволяет выполнять передачу электроэнергетических единиц измерения от государственного эталона к рабочим эталонам и, далее, к рабочим СИ в соответствии с современными требованиями. Перспективы развития СИ в электроэнергетике требуют проведения НИОКР для дальнейшего совершенствования эталонной базы электрических измерений. 

Литература 

1. ГОСТ 8.551-2013. ГСИ Государственная поверочная схема для средств измерений электрической мощности и электрической энергии в диапазоне частот от  1  до  2500 Гц.
2.  ГОСТ 30804.4.30-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная.  Методы измерений показателей качества электрической энергии
3. МИ 3322-2011. ГСИ. Рекомендация. Счетчики электрические активной и реактивной энергии. Методика поверки на местах эксплуатации при помощи комплекта переносных средств поверки производства «НПП МАРС-ЭНЕРГО» .
4. ГОСТ Р 56750-2015. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования.  Счетчики электрической энергии с аналоговыми входами, подключаемые к маломощным датчикам, используемым в качестве трансформаторов напряжения и тока.
5.  ГОСТ 8.746-2011. ГСИ Государственная поверочная схема для средств измерений коэффициента масштабного преобразования и угла фазового сдвига электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 0,1/√3 до 750/√3 кВ.
6. МИ 3050-2007. Рекомендация. ГСИ. Трансформаторы напряжения измерительные 6/Ö3  …110/Ö3  кВ. Методика поверки на месте эксплуатации при помощи преобразователя напряжения ПВЕ.
7. МИ 3239-2009. ГСИ. Рекомендация. Измерительные трансформаторы напряжения 6/√3; 6; 10/√3; 10 кВ. Методика поверки на месте эксплуатации при помощи трехфазной высоковольтной поверочной установки «Установка УПТВ-3-10».
8. МИ 3314-2011. Рекомендация. ГСИ. Трансформаторы напряжения измерительные 220/Ö3, 330/Ö3  кВ. Методика поверки на месте эксплуатации при помощи преобразователя напряжения «ПВЕ».