ГОСТ 13109-97 как пример стандартизации в приборостроении

Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЛЕКЦИЯ 2 (11) № СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) В … … 9 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 8) Тема 2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ 10 Введение в тему (лекция 10) 11 ГОСТ 13109-97 как пример стандартизации в приборостроении (лекция 11) Тема 3. СЕРТИФИКАЦИЯ 12 Введение. Основные положения (лекция 12) Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 11. 1 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 11 ГОСТ 13109-97 как пример стандартизации в приборостроении Введение В последние десятилетия сформировался и развивается интерес к измерениям в электросетях переменного тока. Связано это, во-первых, с повсеместным стремлением к экономии электрической энергии (!) и, во-вторых, – тем фактом, что электроэнергия является дорогостоящим товаром … Как известно, электрическая энергия поступает к удалённому потребителю, претерпев многоступенчатые преобразования (рисунок 11.1). Рисунок 11.1 – Укрупнённая схема электрического снабжения Потери в линиях существенные – до 40%. Сегодня они особенно велики на последних участках потребления – там, где напряжения относительно малы, а токи нагрузок вынужденно большие. Современные способы борьбы с потерями – широкое использование т.н. нелинейных нагрузок: ключевые* преобразователи питания, люминесцентное и светодиодное освещение, сварочные аппараты, многое другое. Это в свою очередь неизбежно приводит к специфическому обратному воздействию нагрузки на сети электроснабжения – напряжения питания заметно искажаются. Говорят: ухудшается качество электроэнергии. Примечание – Под ключевыми понимают такие энергоэффективные преобразователи, функция преобразования которых осуществляется с использованием электронных ключей. Синонимы: переключаемые, импульсные; Switching Regulator, Switching Power Converters.  Понятие трёхфазной электрической сети Передача электрической энергии, как правило, осуществляется посредством трёхфазных электрических сетей (ТЭС)* и только у конечного потребителя фазы расщепляются, превращаясь в однофазные. При передаче энер2 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ гии посредством ТЭС удешевляется монтаж линий электропередач, существенно экономится металл, используемый в проводах, одновременно снижаются потери электроэнергии. исходная сеть из трёх источников сеть, преобразованная в ТЭС Рисунок 11.2 – Иллюстрация экономия проводов при создании ТЭС Примечания – 1 Теория многофазных электрических цепей – основа ТЭС, даётся в специальных разделах курса «Электротехники». Без детальных объяснений будем использовать положения этих разделов – всегда, когда это будет необходимо; 2 ТЭС принято делить на классы – по реализуемым номинальным напряжениям. В настоящем курсе будем рассматривать сети только класса 0,4 кВ (380 В), где 380 В это т.н. междуфазные или линейные напряжения, которым соответствуют фазные напряжения с номинальным значением 220 В; 3 Историческая справка: впервые вариант промышленной трёхфазной сети был предложен русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г. на выставке во Франкфурте; 4 Использование ТЭС сопряжено и с недостатками. Так, например, необходимо постоянно следить за равномерностью загрузки фазных напряжений (см. далее). Отсутствие равномерности приводит к несимметрии питания, ухудшает «качество электроэнергии». ТЭС формирует систему из трёх переменных (синусоидальных) напряжений, сдвинутых во времени так, как показано на рисунке (рисунок 11.3). Указаны фазные (жёлтый, зелёный и красный векторы) и междуфазные (линейные; синие векторы) напряжения. Рисунок 11.3 – Графическое описание трёхфазного напряжения Примечания – 3 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 1 Как правило, в последующем материале будем рассматривать только фазные напряжения; 2 Применённая цветовая гамма для обозначения фазных напряжений закреплена в российских стандартах. Существуют и другие стандартизованные наборы цветов – в других странах, международные.  Понятие идеального фазного напряжения Каждое из напряжений можно описать известным аналитическим выражением: (11.1) u(t) = Uном√2·sin(2πfномt +φном) где: - Uном = 220 – номинальное среднеквадратическое значение переменного напряжения (лекция 9); - fном = 50 Гц – номинальное значение частоты; - φном = 0 рад; или (2π/3) рад; или - (2π/3) рад – возможные номинальные значения начальных фаз (начальные фазовые сдвиги); - синусоида – номинальная форма кривой напряжения. Будем называть такие напряжения идеальными, а любые отклонения их параметров от номинальных значений будем связывать с ухудшением качества электроэнергии. Однако на практике поступают по-другому – используют более сложные параметры, формализованные в специальных стандартах. 11.1 Стандарты, описывающие состояние некачества электрической энергии В настоящее время разработано несколько стандартов, поддерживающих рассматриваемую тему. Основополагающим стандартом в этой области является ГОСТ 51317.4.302010, созданный на основе более старого – ещё советского ГОСТ 13109. Главная особенность нового стандарта – введение в практику измерений наряду с параметрами переменных напряжений также параметров переменных токов нагрузки, аналитическое описание которых аналогично (11.1). Примечания – 1 С 2014 года стандарт заменён на межгосударственный (РФ, Беларусь, Казахстан) стандарт ГОСТ 30804.4.30-2013. 2 Измерение токов позволяет выявлять нагрузки, которые оказывают возмущающие воздействия на сеть. 4 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ В стандарте описаны достаточно сложные алгоритмы долговременных измерений и обработки параметров, в результате чего они превращаются в показатели качества электрической энергии (ПКЭ). Второй по важности стандарт это ГОСТ Р 54149–2010. Он задаёт нормы для прописанных ПКЭ. Нормы необходимы для классификации состояний ТЭС. В зависимости от регистрируемых значений ПКЭ различают нормальное, допустимое и аномальное состояние электросети. 11.2 Показатели качества электрической энергии В прежнем ГОСТ 13109-97 было формализовано одиннадцать ПКЭ. Современный стандарт дополнил список показателями для токов нагрузки. В настоящем курсе приводятся поверхностные описания некоторых ПКЭ. Для лучшего восприятия 11 ПКЭ здесь сгруппированы. 1-я группа. Группа показателей, в основу которых положено измерение среднеквадратического (действующего) значения напряжений: установившееся отклонение напряжения, провал, перенапряжение. 2-я группа. Показатели несинусоидальности напряжений. 3-я группа. Показатели несимметрии напряжений. 4-я группа. Показатель отклонения частоты. 5-я группа. Показатели импульсного напряжения. 6-я группа. Показатели колебания напряжений. При оценке качества электрической энергии в точках общего присоединения ПКЭ должны измеряться в течение длительного времени. Минимальный сеанс измерений составляет 24 часа. В течение этого времени ПКЭ должны измеряться в соответствии с установленным в стандарте регламентом (диаграмма на рисунке 11.4). Регламент устанавливает минимальный интервал времени наблюдения контролируемых сигналов (200 мс), который соответствует десяти номинальным периодам основной частоты (см. стр. 8). В течение этого времени проводится оцифровка* входных сигналов и последующая программная обработка полученных значений с целью выделения значений ПКЭ. Измеренные значения ПКЭ временно хранятся только в течение трёх секунд, далее происходит их сжатие (рисунок 11.4): - в течение каждых 3-х секунд усредняется до 15 результатов измерений и средние значения регистрируются в энергонезависимой памяти; 5 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ - в течение последующего одноминутного интервала усредняются 20 трехсекундных значений и средние значения ПКЭ регистрируются в энергонезависимой памяти... Зарегистрированный в течение сеанса измерений массив значений ПКЭ используются для принятия решения о качестве контролируемой электроэнергии. Примечание – Оцифровка это процедура, включающая выделение некоторых мгновенных значений (дискретизация) непрерывного сигнала и последующее их квантование – представление сигнала в виде двоичного кода (аналого-цифровое преобразование). Рисунок 11.4 – Регламент наблюдения и регистрации ПКЭ Стандарт устанавливает нормально допустимые и предельно допустимые границы (нормы) значений ПКЭ. Зарегистрированные значения ПКЭ – трёхсекундные и одноминутные – не должны выходить за границы предельных допусков. В диапазонах измерений стандарт также задаёт предельные значения погрешностей измерений для каждого ПКЭ. Примечание – Следует иметь в виду, что погрешности измерений не должны превышать заданные во всех условиях эксплуатации средств измерений. Это означает в частности, что предельные значения погрешностей задаются для всего температурного диапазона эксплуатации средств измерений ПКЭ. В таблице 11.1 представлены установленные стандартом требования к поведению и погрешностям измерений некоторых ПКЭ. Следует обратить внимание на единицы измерений ПКЭ – они все (за исключением отклонения частоты и длительности провала напряжения) выражены в процентах. Таблица 11.1 – Нормы и пределы допустимых погрешностей измерений ПКЭ ПКЭ, единица измерения Установившееся отклонение напряжения Uy, % Пределы допустимых погрешностей измерений ПКЭ Нормы КЭ нормально допустимые предельно допустимые абсолютной относительной, % ±5 ±10 ±0,5 – 6 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Коэффициент искажения синусоидальности напряжения КU, % Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U, % Отклонение частоты f, Гц Длительность провала напряжения tп, с см. текст стандарта см. текст стандарта – ±10 2 4 ±0,3 – ±0,2 – ±0,4 30 ±0,03 ± 0,01 – – 11.2.1 1-я группа ПКЭ Включает три показателя: установившееся отклонение, провал (перерыв), перенапряжение (рисунок 11.5). В основу расчёта этих показателей положены измеряемые в соответствии с регламентом (рисунок 11.4) среднеквадратические значения фазных напряжений (3-х секундные значения). Собственно представленный график есть зарегистрированные значения фазного напряжения, а отклонение, рассчитанное в соответствии с последующим изложением, укладывается в указанный на графике предельно допустимый диапазон измерения. Рисунок 11.5 – Пример поведения фазного напряжения с графическим анализом состояния электрической сети На рисунке неформально введено понятие двух других ПКЭ из этой группы, аномальных: провал напряжения и перенапряжение. Под провалом напряжения понимается состояние сети, когда контролируемое напряжение выходит за нижнюю границу предельного допуска. Стандарт устанавливает два показателя для провалов: длительность и глубину. Крайний случай провала – состояние прерывание питания, возникает при временном (аварийном) отключении электросети. 7 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Примечание – Следует обратить внимание на тот факт (таблица 11.1), что стандарт устанавливает для провала предельную длительность в 30 секунд! За это время системы релейной защиты потребителей энергии должны восстанавливать электроснабжение при аварийном отключении сети. Перенапряжение это выход напряжения за верхнюю границу предельного допуска. На рисунке 11.6 представлен пример исходной (необработанной) осциллограммы фазного напряжения с графическими образами провала и перенапряжения. Рисунок 11.6 – Графическое представление о провале напряжения и перенапряжении на исходной осциллограмме Рассмотрим более подробно предложенную стандартом процедуру измерения установившегося отклонения напряжения. Процедура измерения установившегося отклонения напряжения. Примечание – По материалам ГОСТ 13109-97 Измерение установившегося отклонения напряжения Uy осуществляют в следующей последовательности. 1) Для каждого i-го наблюдения, выполняемого каждые три секунды в течение сеанса, продолжительностью 24 часа или более, измеряют действующее значение напряжения основной частоты U(1)i. Примечание – Смотри далее раздел 3.2.2. 2) Вычисляют значение Uy как результат усреднения N наблюдений напряжений U(1)i за интервал времени 1 мин по формуле: (Пр.1) 8 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ 3) Вычисляют значение установившегося отклонения напряжения Uy в процентах по формуле U y  U ном 100 % (Пр.2) Uy= U ном где Uном – номинальное значение фазного напряжения. 4) Качество электрической энергии по установившемуся отклонению напряжения в точке контроля считают соответствующим требованиям стандарта, если все измеренные за каждую минуту в течение 24 ч (или более) значения установившегося отклонения напряжения находятся в интервале, ограниченном предельно допустимыми значениями (рисунок 11.5), а не менее 95 % находятся в интервале, ограниченном нормально допустимыми значениями. Примечание – Обращаем внимание, что абсолютная погрешность в данном случае имеет размерность %, т.к. единица измерения показателя Uy также %. На рисунке 11.5 представлен пример зарегистрированного поведения фазного напряжения в течение времени наблюдения. Наблюдаем, что это поведение не соответствует требованию пункта 4 рассмотренной выше процедуры. Действительно, продолжительное время напряжение и вместе с ним показатель Uy, находятся за границами нормального допуска. Более того, напряжение в двух случаях выходит за границы предельных допусков. 11.2.1 Показатели несинусоидальности Фазные напряжения и особенно – токи, в большей или меньшей степени имеют искажённую форму – несинусоидальную. Это связывают с широким использованием нелинейных нагрузок. Искажение формы синусоидального напряжения приводит к снижению производительности оборудования, в ряде случаев – к выходу из строя оборудования, а также к увеличению потерь в электрооборудовании и браку продукции. Эта группа ПКЭ включает два вида показателей: коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n) и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU.  Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения Этот ПКЭ фактически образует свою подгруппу из 40 показателей (по старому стандарту) – гармоник, среди которых различают основную – первую, и гармоники, кратные основной: от 2-й до 40-й включительно. 9 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Кратные гармоники имеют частоту в кратное число раз большую частоты первой. Таким образом, если первая гармоника имеет частоту 49,5 Гц, то вторая – 2×49,5=99,0 Гц, третья – 3×49,5 =148,5 Гц и т.д. Математическим инструментом для выделения гармоник из исходного сигнала является процедура Фурье-преобразования. Это достаточно сложная процедура и требует для своей реализации массивы оцифрованных данных о поведении фазных напряжений. На выходе процедуры имеем сорок действующих значений гармонических составляющих фазного напряжения: U(n), где n = 1, 2, …, 40 – номер гармоники. Типовой график гармонических составляющих (линейчатый спектр) представлен на рисунке 11.7. Рисунок 11.7 – Типовой линейчатый спектр фазного напряжения, имеющего форму искажённой синусоиды Значения коэффициентов n-х гармонических составляющих напряжения KU(n) рассчитывают по формуле: KU(n)= 100·U(n)/U(1), % (11.2) Примечание – Значения U(n) и U(1) представляют собой усреднённые значения, полученные в течение соответственно каждых 3-х секунд, каждой минуты и всего сеанса наблюдения. Для каждой гармоники индивидуально в стандарте указаны предельные допустимые значения KU(n). С ростом n предельные допустимые значения KU(n) уменьшаются.  Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU Это интегральный показатель, для расчёта которого используют ранее полученные значения U(n): 10 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ (11.3) В идеале этот показатель должен быть равен нулю. Граница нормального допуска для показателя установлена в 8 %. Предельное значение показателя в соответствии с требованиями стандарта не должно превышать 12 %. 11.2.3 Показатели несимметрии Эта группа включает два показателя: коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2U и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0U. Введение в проблематику несимметричного трёхфазного напряжения. На рисунке 11.8 слева повторена (рисунок 11.3) идеальная система векторов ТЭС. На практике эта система часто искажается (правый рисунок): могут изменяться как модули векторов, так и их угловые (фазовые) сдвиги относительно друг друга – возникает несимметричная система векторов. симметричная система векторов несимметричная система векторов Рисунок 11.8 – Симметричная и несимметричная система векторов ТЭС Возникающая несимметрия в ТЭС приводит к неправильной работе однофазных потребителей: тусклый свет осветительных приборов, длительный нагрев нагревательных приборов, сбои в работе компьютеров и т.д. С другой стороны, высокое напряжение вызывает отказы электроприемников из-за износа изоляции, отключение их автоматическими защитными устройствами, выгорание осветительных приборов, перегорание предохранителей и т.п. Основную часть трехфазных потребителей составляют электродвигатели, которые приводят в действие погружные насосы, приводы автоматических ворот, станочное оборудование и т.д. Последствия для таких электроприемников связанны с их повреждениями, отказами, увеличением износа, уменьшением периода эксплуатации. 11 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ Теоретические основания для введения указанных показателей несимметрии напряжений. Известен метод симметричных составляющих (МСС)*, позволяющий представить несимметричную систему векторов как сумму трёх симметричных систем, которым даны свои названия: система прямой последовательности (векторов), система обратной последовательности (векторов) и система нулевой последовательности (векторов). В символической форме метод отображён на рисунке 11.9. Примечание – МСС описывается в соответствующем разделе курса «Электротехники». Рисунок 11.9 – Графическая интерпретация метода симметричных составляющих Прямую последовательность составляют три вектора, имеющие одинаковую длину (модуль) и сдвинутые друг относительно друга на 120o. Прямая последовательность векторов используется в определении других ПКЭ. Обратную последовательность составляют также три вектора с одинаковыми модулями. Они также сдвинутые друг относительно друга на 120o, но последовательность размещения векторов другая. Нулевая последовательность образуется векторами, которые имеют одинаковый модуль и угол. В стандарте представлен подробно алгоритм расчёта ПКЭ несимметрии, которые определены как отношения: К2U= U2/U1 и К0U= U0/U1. Где для расчёта U1 – напряжение прямой последовательности, U2 – напряжение обратной последовательности и U0 – напряжение нулевой последовательности даются готовые формулы. Для расчёта по формулам необходимы результаты измерения фазных или междуфазных напряжений. Как и другие ПКЭ показатели несимметрии рассчитываются многократно в указанном выше темпе, усредняются и регистрируются. Границы нормаль- 12 Редакция 19.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ МЭИ ного и предельного допуска для обоих показателей установлены одинаковыми: 2 % и 4 % соответственно. 11.2.4 Показатель отклонения частоты Измерение частоты и отклонения частоты наиболее ответственный этап в ходе измерения практически всех ПКЭ. Частота фазного напряжения имеет относительно низкое значение (≈50 Гц). По этой причине с целью повышения точности её измерения реализуется косвенный метод измерения – частота рассчитывается как отношение f=1/T, где период Т измеряется непрерывно в интервалах длительностью по 10 секунд. Измеренная таким образом частота имеет среднее (!) значение на выбранном интервале. 11.2.5 Показатели импульсного напряжения. Группа содержит три показателя: длительность импульса имп, длительность импульса на уровне 0,5имп, амплитуда импульса Uимп а (рисунок 11.10). Типовые значения амплитуды импульсов составляют несколько киловольт, а типовая длительность – до нескольких миллисекунд. Следует обратить внимание на тот факт, что метрологические характеристики на измерение параметров импульсов не устанавливаются. импульс, возникший в фазном напряжении импульс, выделенный из сигнала для анализа Рисунок 11.10 – Параметры импульсного напряжения · 13