О реальной точности измерения активного сопротивления обмоток трансформаторов в условиях подстанций

Для организации технического обслуживания по фактическому состоянию трансформаторов с сверхнормативным сроком эксплуатации необходимы приборы контроля, в частности приборы для измерения активного сопротивления обмоток, позволяющие обнаруживать зарождение дефекта на ранней стадии. Однако реальная точность измерения в условиях подстанции большинства предполагаемых на рынке приборов не позволяет уложиться даже в нормированный допуск разброса сопротивлений обмоток трех фаз.

В настоящее время большая часть трансформаторов российских энергосистем выработала расчетный ресурс эксплуатации в 25 лет и их надежность существенно понизилась.  Экономические ограничения не позволяют в короткие сроки заменить трансформаторы, поэтому необходимо продлить срок их эксплуатации. Это позволяет переходить на техническое обслуживание трансформаторов по их фактическому состоянию. И, конечно, существенное значение в обеспечении безаварийной эксплуатации имеют средства и своевременность контроля фактического состояния. Чем выше точность средств контроля, тем на более ранней стадии можно обнаружить появление устойчивой тенденции отклонения контролируемого параметра от некоторого значения, распознать развивающийся дефект и принять решение о проведении ремонта.

Измерение активного сопротивления обмоток – один из наиболее применяемых и то же время самых простых методов контроля трансформаторов. Измеренные значения сопротивлений обмоток оцениваются по результатам сравнения с паспортными данными, с предыдущими измерениями, а также обмоток между собой. К часто выявляемым при этом  дефектам относятся [1, 2]: нарушение пайки, некачественный контакт присоединения концов обмотки к вводам, некачественный контакт в устройстве переключения без возбуждения (ПБВ) или устройстве регулирования под нагрузкой (РПН), неправильная установка привода либо  обрыв токоограничивающих резисторов в устройстве РПН, обрыв одного или нескольких из параллельных проводов в отводах.

Согласно нормативным документам [3] сопротивление обмоток трёхфазных трансформаторов не должно отличаться более чем на 2 %. Чтобы погрешность измерителя сопротивления не оказывала существенного влияния на достоверность контроля, она должна быть в несколько раз меньше (по данным [4]) допуска на контроль (2 %)

δ ≤ 0,5 (0,2÷0,3) 2 % или δ ≤ | ±(0,2÷0,3) % |,

где коэффициент 0,5 учитывает разные знаки погрешностей измерения сопротивлений двух обмоток.

Рассмотрим, насколько соответствуют этому требованию существующие измерители активного сопротивления обмоток трансформаторов. Число  предлагаемых на рынке России таких отечественных и импортных приборов достигает порядка полутора десятков с основной относительной погрешностью измерения в нормальных условиях ±(0,2; 0,5 – 1,5) %. Следовательно, часть измерителей уже заведомо имеет погрешность, превышающую допустимую и обусловливающую риск либо неоправданной отбраковки трансформатора, либо необнаружения возникшего дефекта.

Однако основная погрешность измерителей сопротивления нормируется по результатам метрологических испытаний, проводимых на образцовых катушках сопротивления в лабораторных условиях. При эксплуатации приборов на подстанциях возникают многочисленные дополнительные погрешности, вызываемые следующими причинами:

1. Измерение в начале поддиапазонов прибора;
2. Широкий диапазон температур при проведении  измерений;
3. Большая индуктивность обмоток трансформатора;
4. Наличие переходных сопротивлений окисленных контактов в устройствах ПБВ или РПН;
5. Наведённое переменное напряжение частотой 50 Гц и импульсные помехи.

1. В большинстве приборов весь диапазон измеряемых сопротивлений разделён на несколько поддиапазонов, внутри которых значение  измерительного тока остаётся постоянным. Поэтому падение напряжения на сопротивлении обмотки R_обм в начале поддиапазона значительно меньше, чем на R_обм в конце поддиапазона. Соответственно этому погрешность измерения будет меньше в конце поддиапазона и больше в его начале, что и отражает формула, нормирующая погрешность прибора.

Рассмотрим, например, формулы для нескольких приборов и вычислим по ним погрешность измерения (согласно рекомендациям [5]) для двух трансформаторов с сопротивлениями обмоток R₁ = 2,0 Ом; R₂= 2,2 Ом,  измеряемых, соответственно,  на общих для большинства приборов поддиапазонах 0÷2 и 0÷20 Ом.

1.1. Основная погрешность задана в виде предела допускаемой относительной погрешности δ_отн = ±[0,5% + 0,25% (R_к/R_i–1)] (где R_к – верхний (крайний) предел поддиапазона, R_i – измеряемое сопротивление). Поставив их значения R_к и R_i в формулу, получим δ_отн(R₁) = ± 0,5% для первого трансформатора и δ_отн(R₂) ~_ ±2,3 % для второго.

1.2. Основная погрешность задана в виде предела допускаемой приведённой погрешности δ_п = ±0,2 %. Учитывая, что приведённая погрешность определяется по формуле , получим из неё выражение для абсолютной погрешности  и найдём численные значения: Δ(R₁) = ±0,004 Ом ; Δ(R₂)=±0,0440Ом. Относительную погрешность результата измерения определим из выражения , тогда δ_отн(R₁) = ±0,2 % ; δ_отн(R₂) = ±1,8 %.

1.3. Основная погрешность задана в виде предела допускаемой абсолютной погрешности Δ = ±(0,012R_i +0,003R_к) для одного прибора или Δ = ±(0,25 % R_i +0,25 % R_к) для другого прибора. Подставив в  эти формулы значения R_i и R_к получим: для первого прибора Δ(R₁) = ±0,03 Ом и Δ(R₂) = ±0,086 Ом;  для второго  Δ(R₁) = ±0,01 Ом и  Δ(R₂) = ±0,055 Ом. Вычисляя  аналогично предыдущему расчёту относительную погрешность будем иметь: для первого прибора δ_отн(R₁) = ±1,5 % и  δ_отн(R₂) = ±3,9 %; для второго δ_отн(R₁)=±0,5 % и  δ_отн(R₂) = ±2,5 %.

Приведённые примеры наглядно показывают значительное увеличение погрешности в начале поддиапазонов и необходимость определения фактической погрешности результата измерения предлагаемых приборов по изложенной методике, чтобы не ошибиться в выборе.

2. При измерениях в рабочем диапазоне температур возникает дополнительная температурная погрешность, паспортные значения которой в рассматриваемых приборах имеют широкий разброс от ±0,1% на весь рабочий диапазон температур до половины основной погрешности на каждые 10°С.  Выше уже было показано, до каких значений может доходить основная погрешность. При измерениях на трансформаторе никто не контролирует температуру окружающего воздуха и не вносит поправки на нее  результат измерения. Поэтому результирующая погрешность измерения сопротивления обмотки прибором с такой  основной погрешностью и дополнительной температурной погрешностью может возрастать до (8÷10)%.

3. Выражение для напряжения на обмотке при измерении её сопротивления на токе I имеет вид: . Тогда сопротивление обмотки рассчитывается по формуле , где второй член определяет абсолютную погрешность измерения, вызванную индуктивностью трансформатора при нестабильном токе, т.е. . Разделив обе части указанной формулы на сопротивление R, получим выражение  для определения дополнительной относительной погрешности измерения, вызванной нестабильностью измерительного тока:  или  [где δ(I) – относительная нестабильность тока за время dt, необходимое для формирования результата измерения, например, за время усреднения цифрового сглаживания фильтра; τ – постоянная времени обмотки].

В качестве примера решим по этой формуле обратную задачу: по заданной погрешности  δ(R)_L и известной τ определим максимально допустимое значение нестабильности измерительного тока. Для трансформатора ТРДЦН – 63000/220 экспериментально измерены следующие параметры: R=1,25 Ом, L₁=80 Гн при I₁=2А и L₂=14 Гн при I₂=5А. Задаваясь δ(R)_L ≤ 0,1%, находим: δ(I)/dt ≤ 0,0016 % / 1c для τ = 64с; δ(I)/dt ≤ 0,009 % / 1c для τ = 11,2 с. Таким образом, требования к стабильности тока высоки, но насколько они выполняются – неизвестно, так как этот параметр не нормирован в документации на приборы.

4. В процессе эксплуатации на контактах переключающих устройств возникают оксидные плёнки, увеличивающие переходное сопротивление контактов, которое вносит дополнительную погрешность в измерение R_обм. Поэтому перед измерением рекомендуется произвести несколько полных циклов переключения, что помогает не всегда. Дополнительно уменьшить переходное сопротивление окисленных контактов можно путём увеличения измерительного тока, так как сопротивление плёнки зависит от направления и силы тока и обратно пропорционально его значению. Переключающие устройства устанавливаются в первичных обмотках трансформаторов. Значение сопротивления R_обм первичных обмоток различных трансформаторов напряжением 35 – 500 кВ находится в диапазоне 0,03–16 Ом. Влияние окисной плёнки будет наиболее сильным при малых значениях R_обм.

Обзор показал, что только несколько приборов позволяют проводить измерения сопротивлений до 0,15÷0,25 Ом на максимально токе 10 А и до 10÷25 Ом на токах 1÷0,1 А. Большинство же приборов измеряют на токе 10 А сопротивления  R_обм ≤ 0,02 Ом или даже R_обм ≤ 0,002 Ом, т.е. только вторичные обмотки. Измерение первичных обмоток осуществляется при  значительно меньших токах от 1А до 1мА, не оказывающих существенного влияния  на сопротивление окисной плёнки.

5. Из-за большого реактивного сопротивления обмотки, особенно сетевой, уровень помех на ней может быть значительным. При регистрации помех с помощью цифрового осциллографа амплитуда переменного напряжения с частотой сети в отдельных случаях достигала 3,3В, а амплитуда импульсных помех – 23 В. Значение полезного сигнала на обмотке, определяемого произведением IR_обм, в диапазоне сопротивлений первичных обмоток 0,03–16 Ом для рассматриваемых приборов составляет 0,3÷8 В (в  лучшем случае) и 0,003÷0,02 В (в худшем).

Для подавления помех используются аналоговые и цифровые фильтры. Требуемый коэффициент подавления фильтров рассчитывается по формуле  [где δ_помех – допустимая дополнительная погрешность измерения, вызванная помехой]. Задаваясь, например, δ_помех = 0,1%, получим  К=0,7(10⁴÷10³) (для лучшего случая) и  К=0,7 · 10⁶ ÷ 1,1 · 10⁵ (для худшего), т.е.  во втором случае помехозащищенность прибора обеспечить значительно сложнее и помехи на подстанции будут вносить дополнительную погрешность. 

Миллиомметр для измерения активных сопротивлений обмоток МИКО-7

При создании прибора МИКО-7 удалось избежать наиболее часто встречающихся недостатков, среди рассмотренного выше оборудования для измерения активного сопротивления:

• специальными мерами устранена погрешность в начале шкалы поддиапазонов, поэтому предел основной относительной погрешности выражается формулой δ­_отн ≤ ±0,1% в широком поддиапазоне сопротивлений от 0,5 мОм до 1 кОм, а также  в поддиапазоне 10÷500 мкОм;
  
• дополнительная температурная погрешность не превышает ±0,2% в диапазоне температур от -20 до +40°C;
  
• уменьшена нестабильность  измерительного тока до 0,001% / 1с;
  
• увеличены токи при измерении сопротивлений  R_обм = 0÷0,7 Ом до 10А и R_обм = 16 Ом до 2А. Вследствие этого  уменьшается индуктивность обмотки, а значит и погрешность из-за нестабильности тока;
  
• возросло значение  полезного сигнала на сетевых обмотках  до 0,3÷15В.
  

Миллиомметр МИКО-7 имеет ряд отличительных особенностей:

• Высокая реальная точность измерения.
• Автоматический выбор пределов измерения.
• Регулируемая мощность полезного сигнала на обмотке для исключения перегрева маломощных обмоток электродвигателей и электромагнитов, а значит и увеличить их сопротивления при измерении.
• Питание как от сети, так и от автомобильного аккумулятора.
• Три типа измерительных кабелей разной длины и с разным захватом зажимов "крокодил" (20÷80 мм), позволяющих подключаться ко всем типам трансформаторов.
• Прочный пыле- и водонепроницаемый кейс.
• Масса – 3,2 кг, габаритные размеры 270×250×130 мм.
• Возможность расширения функций прибора (за незначительную дополнительную плату):
  • автоматический расчёт относительных отклонений сопротивлений обмоток между собой;
  • автоматический пересчёт сопротивлений линейных обмоток, соединённых по схеме треугольник или звезда, в сопротивления фазных обмоток;
  • автоматический пересчёт сопротивления обмоток, измеренных при текущей температуре, в сопротивление при паспортной температуре с учётом материала обмотки;
  • вычисление температуры по измеренному сопротивлению обмотки и паспортным данным;
  • архив измерений.

Выводы:

1. Основная погрешность части предлагаемых на рынке измерителей активного сопротивления обмоток значительно превышает максимально допустимую для достоверной оценки состояния трансформатора.
2. В условиях подстанции реальная погрешность измерения ещё выше из-за неполного учёта (либо совсем без него) влияющих параметров. Поэтому такие приборы не соответствуют даже нормативным требованиям контроля [3], не говоря уж об обнаружении развивающихся дефектов в трансформаторах.
3. Увеличению погрешности измерения способствуют недостатки, имеющиеся в правилах сертификации приборов, и отсутствие необходимых эталонов. В результате пригодность прибора, предназначенного для измерения в индуктивных цепях, доказывается на безиндуктивных эталонах сопротивления, а нестабильность тока и его минимальное значение не нормированы.
4. Указанное несоответствие погрешностей предлагаемых приборов задачам контроля зачастую для специалистов энергопредприятий не очевидна, поэтому и приборы с неудовлетворительными техническими характеристиками пользуются спросом.
5. Изменить сложившуюся ситуацию могли бы разработка и внедрение обязательных требований к измерителям сопротивлений, используемым на предприятиях крупнейших энергокомпаний России.
6. Новая разработка СКБ ЭП – измеритель сопротивления МИКО-7 – полностью соответствует нормативным требованиям для достоверного контроля состояния трансформаторов и задача раннего обнаружения возникающих дефектов.
   

Список литературы:

1. Алексеенко Г.В. Испытание мощных трансформаторов и реакторов. – М: Энергия, 1977.
2. Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. Раздел 10. – М: ОРГРЭС, 1997.
3. РД 34.45-51.300.97. Объём и нормы испытаний электрооборудования. – 6-е изд. – М.: НЦ ЭНАС, 2000
4. РМГ 63-2003. ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2004
5. Новицкий П.В., Зограф Н.А. Оценка погрешности результатов измерений. – Л: Энергоатомиздат, 1991.

Представленный материал информационно-аналитический, не носит рекламный характер и не призывает к действию. Сведения предназначены для информирования пользователей сайта www.skbpribor.ru о продукте производителя.