Электрические измерения
В системах электроснабжения измеряют ток (I), напряжение (U), активную и реактивную мощности (Р, Q), электроэнергию (Ph, Qhили Wa, Wp), активное, реактивное и полное сопротивление (R, X, Z), частоту (f), коэффициент мощности (cosφ); при энергоснабжении измеряют температуру (G), давление (p), расход энергоносителя (G), тепловую энергию (Е), перемещение (X) и др .
В условиях эксплуатации обычно используют методы непосредственной оценки для измерения электрических величин и нулевой — для неэлектрических .
Электрические величины определяют электроизмерительными приборами, представляющими собой устройство (прибор), предназначенное для измерения, например, напряжения, тока, сопротивления, мощности и т . д .
По принципу действия и конструктивным особенностям приборы бывают: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, индукционные, вибрационные и др . Электроизмерительные приборы классифицируются также по степени защищенности измерительного механизма от влияния внешних магнитных и электрических полей на точность его показаний, способу создания противодействующего момента, характеру шкалы, конструкции отсчетного устройства, положению нулевой отметки на шкале и другим признакам .
На шкалу электроизмерительных приборов нанесены условные обозначения, определяющие систему прибора, его техническую характеристику .
Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами или потребляемая потребителями, измеряется счетчиками .
Для определения электрической энергии переменного тока в основном применяют счетчики с измерительным механизмом индукционной системы и электронные . Отклонение результата измерения от истинного значения величины называют погрешностью измерения .
Точность измерения — это его качество, отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины . Высокая точность измерений соответствует малой погрешности .
Погрешность измерительного прибора — это разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины .
Результат измерения — это значение величины, найденное путем ее измерения .
При однократном измерении показание прибора является результатом измерения, а при многократном результат измерения находят путем статистической обработки итогов каждого наблюдения . По точности результатов измерения подразделяют на три вида: точные (прецизионные), результат которых должен иметь минимальную погрешность; контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать заданного значения; технические, результат которых содержит погрешность, определяемую погрешностью измерительного прибора . Как правило, точные и контрольно-поверочные измерения требуют многократных наблюдений .
По способу выражения погрешности средств измерений разделяют на абсолютные, относительные и приведенные .
Абсолютная погрешность АА — это разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины Ад:
АА = А – Ад.
Относительная погрешность bА — это отношение абсолютной погрешности АА к значению измеряемой величины А, выраженное в процентах:
Приведенная погрешность g (в процентах) — это отношение абсолютной погрешности АА к нормирующему значению Aном:
Для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы нормирующее значение равно конечному значению диапазона измерений . Для приборов с двухсторонней шкалой, то есть с отметками шкалы, расположенными по обе стороны от нуля, оно равно арифметической сумме конечных значений диапазона измерений .
Для приборов с логарифмической или гиперболической шкалой нормирующее значение равно длине всей шкалы .
В табл. 1 приведены сведения о классах точности измерительных приборов . Класс точности численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, выраженной в процентах .
Таблица 1. Классы точности средств измерений
| Класс точности прибора | Класс точности шунта, добавочного резистора | Класс точности измерительного преобразователя | Класс точности измерительного трансформатора |
| 1,0 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| 1,5 | 0,5 | 0,5** | 0,5* |
| 2,5 | 0,5 | 1,0 | 1,0** |
* Допускается 1,0 .
** Допускается 3,0 .
Средства измерений электрических величин должны удовлетворять следующим основным требованиям (ПУЭ):
• класс точности измерительных приборов должен быть не ниже 2,5;
• классы точности измерительных шунтов, добавочных резисторов, трансформаторов и преобразователей должны быть не ниже приведенных в табл . 1;
• пределы измерения приборов должны выбираться с учетом возможных наибольших длительных отклонений измеряемых величин от номинальных значений .
Учет активной электрической энергии должен обеспечивать определение количества энергии: выработанной генераторами ЭС; потребленной на собственные и хозяйственные нужды (раздельно) ЭС и ПС; отпущенной потребителям по линиям, отходящим от шин ЭС непосредственно к потребителям; переданной в другие энергосистемы или полученной от них; отпущенной потребителям из электрической сети . Кроме того, учет активной электрической энергии должен обеспечивать возможность определения поступления электрической энергии в электрические сети разных классов напряжений энергосистемы, составления балансов электрической энергии для хозрасчетных подразделений энергосистемы, контроля за соблюдением потребителями заданных им режимов потребления и баланса электрической энергии .
Учет реактивной электрической энергии должен обеспечивать возможность определения количества реактивной электрической энергии, полученной потребителем от электроснабжающей организации или переданной ей, только если по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсирующих устройств .
Ток должен измеряться в цепях всех напряжений, где это необходимо для систематического контроля технологического процесса или оборудования .
Постоянный ток измеряется в цепях: генераторов постоянного тока и силовых преобразователей; АБ, зарядных, подзарядных и разрядных устройств; возбуждения СГ, СК, а также электродвигателей с регулируемым возбуждением .
Амперметры постоянного тока должны иметь двухсторонние шкалы, если возможно изменение направления тока .
В цепях трехфазного тока следует, как правило, измерять ток одной фазы . Ток каждой фазы должен измеряться:
• для ТГ 12 МВт и более;
• для ВЛ с пофазным управлением, линий с продольной компенсацией и линий, для которых предусматривается возможность длительной работы в неполнофазном режиме;
• в обоснованных случаях можно предусмотреть измерение тока каждой фазы ВЛ 220 кВ и выше с трехфазным управлением; для дуговых электропечей .
Напряжение должно измеряться:
• на секциях сборных шин постоянного и переменного тока, которые могут работать раздельно; допускается установка одного прибора с переключением на несколько точек измерения; на ПС напряжение допускается измерять только на стороне НН, если установка ТН на стороне ВН не требуется для других целей;
• в цепях генераторов постоянного и переменного тока, СК, а также в отдельных случаях в цепях агрегатов специального назначения;
• при автоматизированном пуске генераторов или других агрегатов установка на них приборов для непрерывного измерения напряжения необязательна;
• в цепях возбуждения СМ от 1 МВт и более;
• в цепях силовых преобразователей, АБ, зарядных и подзарядных устройств;
• в цепях дугогасящих катушек .
В трехфазных сетях измеряется, как правило, одно междуфазное напряжение . В сетях выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью допускается измерение трех междуфазных напряжений для контроля исправности цепей напряжения одним прибором (с переключением) .
Необходимо регистрировать значения одного междуфазного напряжения сборных шин 110 кВ и выше (либо отклонения напряжения от заданного значения) ЭС и подстанций, по напряжению на которых ведется режим энергосистемы .
В сетях переменного тока выше 1 кВ с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью, сетях переменного тока до 1 кВ с изолированной нейтралью и сетях постоянного тока с изолированными полюсами или изолированной средней точкой, как правило, должен выполняться автоматический контроль изоляции, действующий на сигнал при снижении сопротивления изоляции одной из фаз (или полюса) ниже заданного значения с последующим контролем асимметрии напряжения с помощью показывающего прибора (с переключением) . Допускается контроль изоляции путем периодических измерений напряжений с целью визуального контроля асимметрии напряжения .
Измерение мощности генераторов активной и реактивной мощности: при установке на ТГ 100 МВт и более щитовых показывающих приборов их класс точности должен быть не ниже 1,0 . Производится регистрация:
• на ЭС 200 МВт и более — суммарной активной мощности;
• конденсаторных батарей 25 Мвар и более и СК реактивной мощности;
• трансформаторов и линий, питающих собственные нужды 6 кВ и выше ЭС, активной мощности;
• повышающих двухобмоточных трансформаторов ЭС — активной и реактивной мощности; в цепях повышающих трехобмоточных трансформаторов (или автотрансформаторов с использованием обмотки НН) измерение активной и реактивной мощности должно производиться со стороны СН и НН; для трансформатора, работающего в блоке с генератором, мощность со стороны НН следует измерять в цепи генератора;
• понижающих трансформаторов 220 кВ и выше — активной и реактивной, 110–150 кВ — активной мощности; в цепях понижающих двухобмоточых трансформаторов измерение мощности должно производиться со стороны НН, а в цепях понижающих трехобмоточных трансформаторов — со стороны СН и НН; на ПС 110–220 кВ без выключателей на стороне ВН мощность допускается не измерять;
• линий 110 кВ и выше с двусторонним питанием, а также обходных выключателей — активной и реактивной мощности;
• на других элементах ПС, на которых для периодического контроля режимов сети необходимы измерения перетоков активной и реактивной мощности, должна предусматриваться возможность присоединения контрольных переносных приборов .
Обязательна регистрация активной мощности ТГ 60 МВт и более, суммарной мощности ЭС (200 МВт и более) .
Частота измеряется:
• на каждой секции шин генераторного напряжения; на каждом ТГ блочной ЭС или АЭС;
• на каждой системе (секции) шин ВН ЭС;
• в узлах возможного деления энергосистемы на несинхронно работающие части .
Частота или ее отклонения от заданного значения должны регистрироваться на ЭС 200 МВт и более; на ЭС 6 МВт и более, работающих изолированно .
Абсолютная погрешность регистрирующих частотомеров на ЭС, участвующих в регулировании мощности, должна быть не более ±0,1 Гц .
Для измерения при точной (ручной или полуавтоматической) синхронизации должны предусматриваться следующие приборы — два вольтметра (или двойной вольтметр), два частотомера (или двойной частотомер), синхроноскоп .
Для автоматической регистрации аварийных процессов в электрической части энергосистем должны предусматриваться автоматические осциллографы . Расстановка автоматических осциллографов на объектах, а также выбор регистрируемых ими электрических параметров производятся по указаниям ПУЭ .
Для определения мест повреждений на ВЛ 110 кВ и выше длиной более 20 км должны предусматриваться фиксирующие приборы .
Краткая характеристика измерительных приборов: современные промышленные предприятия и жилищно-коммунальные хозяйства характеризуются потреблением различных видов энергии — электроэнергии, тепла, газа, сжатого воздуха и др .; для наблюдения за режимом потребления энергии необходимо измерять и регистрировать электрические и неэлектрические величины с целью дальнейшей обработки информации .
Номенклатура приборов, используемых в энергоснабжении для измерения электрических и неэлектрических величин, весьма разнообразна как по методам измерений, так и по сложности преобразователей . Наряду со способом непосредственной оценки часто используют нулевой и дифференциальный методы, повышающие точность .
Ниже приведены краткая характеристика измерительных приборов по принципу действия .
Магнитоэлектрические приборы обладают высокой чувствительностью, малым потреблением тока, плохой перегрузочной способностью и высокой точностью измерений . Их показания зависят от температуры окружающей среды . Амперметры и вольтметры имеют линейные шкалы и используются часто как образцовые приборы, имеют малую чувствительность к внешним магнитным полям, однако чувствительны к ударам и вибрации .
Электромагнитные приборы имеют невысокую чувствительность, значительное потребление тока, хорошую перегрузочную способность и невысокую точность измерений . Шкалы нелинейны и линеаризуются в верхней части специальным выполнением механизма . Чаще используются как щитовые технические приборы, просты и надежны в эксплуатации, чувствительны к внешним магнитным полям . Электромагнитные приборы могут измерять как постоянные, так и переменные токи и напряжение . При этом они реагируют на среднее квадратическое (действующее) значение переменного сигнала вне зависимости от формы сигнала (в пределах сравнительно неширокого частотного диапазона) .
Электродинамические и ферродинамические приборы обладают невысокой чувствительностью, большим потреблением тока, чувствительностью к перегрузкам и высокой точностью . У амперметров и вольтметров нелинейные шкалы . Серьезным преимуществом являются одинаковые показания на постоянном и переменном токах, что позволяет поверять их на постоянном токе .
Приборы индукционной системы характеризуются невысокой чувствительностью, существенным потреблением тока и нечувствительностью к перегрузкам . В основном они служат счетчиками энергии переменного тока . Такие приборы выпускаются одно-, двухи трехэлементными для работы в однофазных, трехфазных трехпроводных и трехфазных четырехпроводных цепях . Для расширения пределов используются трансформаторы тока и напряжения .
Электростатические приборы имеют невысокую чувствительность, но чувствительны к перегрузкам и служат для измерения напряжения на постоянном и переменном токах . Для расширения пределов используются емкостные и резистивные делители . Электростатические вольтметры имеют малое потребление и широкий диапазон частот измерения, они просты и надежны .
Термоэлектрические приборы характеризуются низкой чувствительностью, большим потреблением тока, низкой перегрузочной способностью, невысокой точностью и нелинейностью шкалы, а также невысоким быстродействием . Однако их показания не зависят от формы тока в широком диапазоне частот . Для расширения пределов амперметров используют высокочастотные трансформаторы тока . Приборы могут работать как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями .
Выпрямительные приборы обладают высокой чувствительностью, малым потреблением тока, небольшой перегрузочной способностью и линейностью шкалы . Показания приборов зависят от формы тока . Они используются в качестве амперметров и вольтметров, которые реагируют на среднее выпрямленное значение переменного сигнала, а не на действующее (которое требуется чаще всего) . Градуируются они обычно в действующих значениях для частного случая синусоидального сигнала . При работе с несинусоидальными сигналами возможны большие погрешности измерения .
Цифровые электронные измерительные приборы преобразуют аналоговый входной сигнал в дискретный, представляя его в цифровой форме с помощью цифрового отсчетного устройства (ЦОУ) и могут выводить информацию на внешнее устройство — дисплей, цифропечать . Преимуществами цифровых измерительных приборов (ЦИП) являются автоматический выбор диапазона измерения, автоматический процесс измерения, вывод информации в коде на внешние устройства и представление результата измерений с высокой точностью .