Най-добри практики за калибриране на изходите за напрежение на място

Калибрирането на място на изходните напрежения на сензорите на изолаторите е една от най-техническите дейности по поддръжката в управлението на активите на подстанциите - и една от най-често изпълняваните неправилно. Комбинацията от проводници с високо напрежение под напрежение, аналогови сигнали на ниско ниво, задължения за клас на точност по стандартите IEC и последиците за безопасността от грешен резултат от калибрирането създава дисциплина, в която процедурните съкращения водят до резултати, които са по-лоши от липсата на калибриране изобщо. Неправилно калибрираният изолатор на сензора не просто дава неточни показания - той дава показания, на които персоналът и системите за защита се доверяват, защото според протокола за калибриране трябва да се доверят. Разликата между калибриране, което подобрява надеждността на подстанцията, и такова, което внася систематична грешка във функциите на защитата и измерването, е изцяло функция на това дали процедурата е изпълнена правилно, с проследимо референтно оборудване, при контролирани условия и документирана съгласно изискванията на стандартите IEC. Настоящото ръководство предоставя пълната рамка на най-добрите практики за калибриране на изхода на напрежението на сензорни изолатори на място - от избора на референтно оборудване през изпълнението на протокола за безопасност до документацията след калибрирането.

Съдържание

• Кои стандарти на IEC уреждат калибрирането на място на изходните напрежения на изолаторите на сензорите?
• Какво референтно оборудване и условия на околната среда са необходими за валидно калибриране на място?
• Кои са най-съществените грешки при калибриране в полевите условия на подстанциите?
• Какъв е пълният протокол за калибриране на място за изходното напрежение на изолатора на сензора?
• ЧЕСТО ЗАДАВАНИ ВЪПРОСИ

Кои стандарти на IEC уреждат калибрирането на място на изходните напрежения на изолаторите на сензорите?

Калибрирането на място на изходните напрежения на изолатора на сензора не е дейност по поддръжка в свободна форма. Тя се регулира от йерархията на стандартите IEC, които определят изискванията за клас на точност, задълженията за проследяване на референтното оборудване, бюджетите за неопределеност на измерванията и изискванията за документация. Разбирането на това кои стандарти се прилагат - и какво конкретно изискват те - е предпоставка за всяка процедура за калибриране, която дава правно и технически защитими резултати.

Серия IEC 61869 - Изисквания за точност на инструменталните трансформатори

Серията IEC 61869 е основната стандартна рамка за калибриране на изходното напрежение на сензорите:

• iec 61869-1 - общи изисквания за инструментални трансформатори¹; определя системата на класа на точност, границите на грешката на съотношението и фазовото преместване, както и условията на изпитване, при които трябва да се провери съответствието с класа на точност.
• iec 61869-11 - допълнителни изисквания за пасивни трансформатори на напрежение с ниска мощност (LPVT); пряко приложими за изолатори на капацитивни сензори за изход; уточнява, че проверката на класа на точност трябва да се извършва при 80%, 100% и 120% от номиналното напрежение, за да се потвърди линейността в целия работен диапазон.
• IEC 61869-6 - допълнителни общи изисквания за измервателни трансформатори с ниска мощност и цифрови изходи; прилага се за интелигентни сензорни изолатори с изходи с дискретизирани стойности по IEC 61850; изисква цялата измервателна верига - от сензорния електрод до цифровия изход - да бъде проверена като система, а не като отделни компоненти

IEC 61010-1 - Изисквания за безопасност на измервателното оборудване

iec 61010-1 урежда безопасност на електрическото оборудване, използвано за измерване, контрол и лабораторни цели.². За калибриране на място на изходните напрежения на изолатора на сензора се установява:

• Категорията на измерване (CAT) на референтното оборудване - всички инструменти, използвани за калибриране в подстанция, трябва да имат минимална категория CAT III за вериги с напрежение до 1000 V; референтният делител на напрежение или калибрираният преобразувател, свързан към страната на високото напрежение, трябва да притежава подходящ сертификат за безопасност при високо напрежение.
• Координиране на изолацията между еталонната измервателна верига и нисковолтовите калибриращи инструменти - предотвратяване на прехвърлянето на високо напрежение към персонала чрез веригата на калибриращото оборудване

IEC/IEC 17025 - Изисквания за проследимост на калибрирането

ISO/IEC 17025 (общи изисквания за компетентността на лабораториите за изпитване и калибриране³) създава веригата на проследимост, която прави резултатите от калибрирането на място юридически и технически защитими:

• Всички референтни еталони, използвани на място, трябва да имат актуални сертификати за калибриране, проследими до националните еталони за измерване (НМИ - Национален институт по метрология).
• Сертификатът за калибриране трябва да документира неопределеността на измерването на референтния стандарт, изразена като разширена неопределеност при ниво на доверителност 95% (k = 2).
• Резултатите от калибрирането на място са валидни само ако неопределеността на референтния стандарт е поне 4 пъти по-малка от допустимото отклонение на класа на точност, който се проверява - така нареченото съотношение на точност на изпитването (TAR) 4:1.

Обобщение на класа на точност и допустимите отклонения

IEC 61869 Клас на точност	Граница на грешката на съотношението	Ограничение на изместването на фазата	Изисквана референтна неопределеност (4:1 TAR)
Клас 0.1	± 0,1%	± 5 мин.	≤ 0,025%
Клас 0.2S	± 0,2%	± 10 мин.	≤ 0,05%
Клас 0,5	± 0,5%	± 20 мин.	≤ 0,125%
Клас 1	± 1.0%	± 40 мин.	≤ 0,25%
Клас 3	± 3.0%	Не е посочено	≤ 0,75%

Какво референтно оборудване и условия на околната среда са необходими за валидно калибриране на място?

Избор на референтно оборудване

Веригата от еталонно оборудване за калибриране на изходното напрежение на изолатора на сензора на място се състои от три елемента, всеки от които има специфични изисквания за работа:

Референтен делител на напрежение или калибриран капацитивен делител
Референтното измерване на високоволтовия проводник трябва да се извърши с калибриран делител на напрежение, чиято грешка в съотношението е известна и проследима. За калибриране на място в подстанцията:

• Капацитивен делител на напрежение - предпочитан за приложения със средно и високо напрежение; точност на съотношението ± 0,05% или по-добра; валиден сертификат за калибриране в рамките на 12 месеца от датата на използване
• Резистивен делител на напрежение - приемлив за напрежения до 36 kV; постижима точност на съотношението ± 0,02%; чувствителен към температурни колебания (посочете температурен коефициент < 5 ppm/°C за обхвата на околната среда на подстанцията)
• Сонда за високо напрежение с клещи - приемлива само за проверка на клас 1 и клас 3; недостатъчна референтна неопределеност за клас 0,5 и повече

Прецизен променливотоков волтметър или анализатор на мощност
Изходното ниско напрежение на еталонния делител и на калибрирания изолатор на сензора трябва да се измерва едновременно с прецизен инструмент:

• Измерване на истинска ефективна стойност - задължително; Среднореагиращите инструменти въвеждат систематична грешка при несинусоидални форми на вълната⁵ в подстанциите
• Точност: ± 0,02% от минималното показание за калибриране клас 0.5; ± 0,005% за клас 0.2S
• Входно съпротивление: > 1 MΩ, за да се избегне натоварване на изходната верига на изолатора на сензора
• Актуален сертификат за калибриране: в рамките на 12 месеца, проследим до NMI

Възможност за измерване на фазовия ъгъл
IEC 61869-11 изисква проверка на фазовото изместване в допълнение към грешката на съотношението. Измерването на фазовия ъгъл на място изисква:

• Двуканално едновременно вземане на проби с неопределеност на фазовото измерване < 0,1°
• Минимална честота на дискретизация: 10 000 проби в секунда на канал за постигане на необходимата разделителна способност на фазата при 50/60 Hz
• Точност на времевата база: < 1 ppm - кристален или GPS-дисциплиниран осцилатор

Условия на околната среда за валидно калибриране

Резултатите от калибрирането на място са валидни само в рамките на определени граници на околната среда. Измерванията, извършени извън тези граници, носят некоригирани грешки на околната среда, които могат да надвишат допустимото отклонение на проверявания клас на точност:

Параметър на околната среда	Валиден обхват на калибриране	Необходима корекция извън обхвата
Температура на околната среда	+15°C до +35°C	Корекция на температурния коефициент според данните на производителя
Относителна влажност	25% до 75% RH	Корекция на влажността или отлагане на калибрирането
Температурна стабилност	< 2°C вариация по време на калибриране	Позволете 30-минутна термична стабилизация преди измерване
Вибрации	Без осезаеми механични вибрации	Отлагане, ако работи съседно разпределително устройство
Електромагнитна среда	Без активни операции по превключване	Координиране с операциите за спиране на превключването по време на прозореца за калибриране

Температурата е най-съществената променлива на околната среда за калибриране на изходното напрежение на изолатора на сензора. Капацитетът на свързване $C_1$ на сензорни изолатори на епоксидна основа има температурен коефициент приблизително от +50 до +100 ppm/°C⁴ - което означава, че температурна разлика от 10 °C между калибрирането и референтните условия води до систематична грешка в съотношението от 0,05% до 0,1%, която е невидима в записа от калибрирането, но присъства във всяко следващо измерване.

Кои са най-съществените грешки при калибриране в полевите условия на подстанциите?

Грешка 1 - Използване на некоригирано референтно оборудване

Най-често срещаната и последваща грешка при калибриране в полеви условия на подстанцията е използването на еталонно оборудване, чийто сертификат за калибриране е с изтекъл срок на валидност или при което не са приложени корекционни фактори за околната среда. Референтен делител на напрежение, калибриран при +20°C, използван при +35°C околна среда в подстанцията без температурна корекция, внася систематична референтна грешка, която се разпространява директно в резултата от калибрирането - получава се “калибриран” изход на сензорния изолатор, който е изместен от истинската стойност с некоригираната референтна грешка.

Последица: всяко защитно реле, измервател на приходите и система за мониторинг на състоянието, свързани към изолатора на сензора, наследяват това систематично отместване, а записът от калибрирането дава фалшива гаранция, че измерването е точно.

Грешка 2 - Калибриране в една точка

IEC 61869-11 изисква проверка на класа на точност при 80%, 100% и 120% от номиналното напрежение, за да се потвърди линейността. Полевите калибрирания обикновено се проверяват само при 100% от номиналното напрежение - най-лесната работна точка, която може да се постигне по време на поддръжката на подстанцията. Едноточковото калибриране при номинално напрежение не се открива:

• Нелинейно диелектрично поведение при ниско напрежение - замърсените с влага изолационни тела на сензорите често показват приемлива точност при номинално напрежение, но значителна нелинейност под 90% от номиналното напрежение, където системите за защита трябва да работят правилно при събития с понижено напрежение.
• Ефекти на насищане при свръхнапрежение - изолаторите на сензорите, чийто експлоатационен срок наближава края си, могат да показват приемлива точност при номинално напрежение, но да надвишават границите на класа на точност при номинално напрежение 120%, което се случва обичайно по време на събития, свързани с превключване на мрежата.

Грешка 3 - Зареждане на изхода на изолатора на сензора по време на калибриране

Изходите на капацитивните отводители на изолаторите на сензорите са източници с висок импеданс - изходният импеданс се определя от капацитета на свързване $C_1$ и честотата на системата:

$Z_{output} = \frac{1}{2\pi f C_1}$

За типичен сензорен изолатор с $C_1 = 100\ \text{pF}$ при 50 Hz:

$Z_{output} = \frac{1}{2\pi \ пъти 50 \ пъти 100 \ пъти 10^{-12}} \приблизително 32\ \текст{М}\Мега$

Свързването на еталонен волтметър с входно съпротивление 1 MΩ към този изход натоварва веригата и намалява измереното напрежение с:

$\текст{Грубост при зареждане} = \frac{Z_{load}}{Z_{output} + Z_{load}} - 1 \приблизително -3,1$

Грешката при натоварване от 3,1% надвишава допустимото отклонение на всеки клас на точност от клас 0,1 до клас 1 - въпреки това при калибриране на място рутинно се използват стандартни цифрови мултиметри с входно съпротивление от 1 MΩ до 10 MΩ на изходите на изолатора на сензора, без да се разпознава този източник на грешка.

Грешка 4 - игнориране на проверката на фазовото изместване

Грешката на съотношението и фазовото преместване са независими параметри на точността съгласно IEC 61869. Изолаторът на сензора може да премине успешно проверката на грешката в съотношението, но да не отговаря на ограниченията за фазово изместване - състояние, което води до правилно показание на величината на напрежението, но до неправилни измервания на фактора на мощността и енергията. Полевите калибрирания, които проверяват само грешката на съотношението, са непълни съгласно IEC 61869-11 и водят до записи за калибриране, които не потвърждават пълното съответствие с класа на точност.

Какъв е пълният протокол за калибриране на място за изходното напрежение на изолатора на сензора?

Стъпка 1 - Преглед на документацията преди калибриране
Извлечете данните за калибриране на изолатора на сензора при пускане в експлоатация, резултатите от предишно калибриране на място и всички данни от мониторинга на състоянието, показващи тенденциите за отклонение на точността. Изчислете скоростта на дрейфа от предишните резултати от калибрирането, за да прогнозирате очакваната текуща големина на грешката. Ако прогнозираната грешка надхвърля 80% от допустимото отклонение на класа на точност, преминете към оценка на замяната, преди да продължите с калибрирането.

Стъпка 2 - Проверка на референтното оборудване
Проверете текущите сертификати за калибриране на цялото референтно оборудване - делител на напрежение, прецизен волтметър и система за измерване на фазовия ъгъл. Потвърдете, че всеки сертификат е в рамките на срока си на валидност и че еталонната неопределеност отговаря на изискването за ТАР 4:1 за проверявания клас на точност. Не продължавайте, ако срокът на валидност на някой от референтните сертификати е изтекъл или ако не е изпълнено изискването за TAR.

Стъпка 3 - Изолиране на безопасността и LOTO
Определяне на границата на изолация за безопасност съгласно системата за управление на безопасността на обекта. Приложете блокиране/отбелязване съгласно IEC 61243-1 за всички вериги, до които ще има достъп по време на настройката на калибрирането. Проверете нулевото напрежение на всички достъпни клеми с калибриран детектор за напрежение, преди да направите каквито и да било връзки. Поддържайте установената граница на безопасност по време на цялата процедура по калибриране - не премахвайте LOTO по никаква причина, докато калибрирането не приключи и всички връзки не бъдат премахнати.

Стъпка 4 - Регистриране на състоянието на околната среда
Измерете и запишете температурата на околната среда, относителната влажност и барометричното налягане на мястото за калибриране. Потвърдете, че условията са в рамките на валидния диапазон за калибриране, определен в раздел 2. Ако температурата е извън +15°C до +35°C, приложете температурния корекционен коефициент на производителя на изолатора на сензора към всички измервания или отложете калибрирането, докато условията влязат в обхвата.

Стъпка 5 - Настройка на референтната измервателна верига
Свържете калибрирания делител на еталонно напрежение към същия проводник като изолатора на калибрирания сензор. Свързва се прецизният волтметър към изхода на еталонния делител, като се използва екраниран кабел с едноточково заземяване в края на волтметъра. Проверява се дали заземяването на еталонния делител е независимо от заземяването на сигналната верига на изолатора на сензора - общите заземяващи връзки внасят грешки в земния контур, които повреждат едновременно и двете измервания.

Стъпка 6 - Измерване на грешката на триточковото съотношение
При номинално напрежение на системата (100%) запишете едновременните показания от изхода на референтния делител и от изхода на изолатора на сензора. Изчислете грешката на съотношението:

$\varepsilon_{ratio} = \frac{U_{sensor} - U_{reference}}{U_{reference}} \ пъти 100$

Координирайте се с операциите на системата, за да постигнете 80% и 120% от номиналното напрежение за допълнителните точки на измерване, изисквани от IEC 61869-11. Запишете грешката на съотношението при трите нива на напрежение. Ако не може да се постигне работа с 80% или 120%, документирайте ограничението в протокола за калибриране и отбележете, че не е завършена пълна проверка на линейността по IEC 61869-11.

Стъпка 7 - Измерване на фазовото изместване
Свържете двуканалната система за измерване на фазата към изхода на референтния делител (канал 1) и към изхода на изолатора на сензора (канал 2). Запишете фазовото преместване при номинално напрежение. Сравнете с граничната стойност на фазовото преместване по IEC 61869 за клас на точност. Документирайте измерената стойност в дъгови минути.

Стъпка 8 - Зареждане на проверката за корекция на грешки
Уверете се, че входното съпротивление на измервателния волтметър е > 10 MΩ. Ако входният импеданс е под 10 MΩ, приложете корекция на натоварването:

$U_{коригиран} = U_{измерен} \ пъти \frac{Z_{output} + Z_{load}}{Z_{load}}$

Къде: $Z_{output}$ се изчислява от спецификацията на изолатора на сензора $C_1$ стойност и честота на системата. Документирайте приложената корекция и коригираната стойност на измерването.

Стъпка 9 - Регулиране на калибрирането (ако е необходимо)
Ако грешката на съотношението надхвърля 50% от толеранса на класа на точност, регулирайте изхода на изолатора на сензора, като използвате процедурата за калибриране на производителя - обикновено тример-кондензатор или софтуерна настройка на усилването на интелигентните изолатори на сензора. След регулирането се извършва повторно измерване, за да се потвърди, че коригираната грешка на съотношението е в рамките на 25% от допустимото отклонение на класа на точност, като се осигурява резерв за бъдещо отклонение.

Стъпка 10 - Документация след калибриране
Попълнете протокола за калибриране с всички необходими полета съгласно ISO/IEC 17025:

• Идентифициране и локализиране на активи на сензорни изолатори
• Референтни идентификатори на оборудването и номера на сертификати
• Условия на околната среда по време на калибрирането
• Измерена грешка на съотношението и фазово изместване във всички точки на изпитване
• Приложени корекции и коригирани стойности
• Определяне на клас на точност Pass/fail спрямо IEC 61869
• Идентификация и подпис на техниците по калибриране
• Дата на следващото калибриране въз основа на наблюдаваната скорост на отклонение

Архивирайте попълнения запис за калибриране в системата за управление на активите на подстанцията и актуализирайте графика за поддръжка на изолатора на сензора. Ако при калибрирането се установи ускоряване на скоростта на дрейфа в сравнение с предишните записи, намалете следващия интервал на калибриране с 50%.

Заключение

Калибрирането на място на изходните напрежения на изолаторите на сензорите е прецизна измервателна дейност, регулирана от IEC 61869, ISO/IEC 17025 и IEC 61010-1 - не е рутинна задача за поддръжка, която може да бъде изпълнена с инструменти с общо предназначение и неофициални процедури. Документираните в настоящото ръководство грешки при калибриране - некоригирано референтно оборудване, проверка в една точка, натоварване на изхода и пропускане на фазово изместване - са систематични, а не случайни. Те водят до записи за калибриране, които удостоверяват съответствие с класа на точност, като същевременно прикриват грешки при измерването, които се разпространяват във функциите за защита, измерване и мониторинг на състоянието. Протоколът от десет стъпки в това ръководство елиминира тези грешки чрез проследимост на референтното оборудване, триточкова проверка на линейността, корекция на грешките при натоварване и пълна документация. Калибрирайте според стандарта, а не според удобството на прозореца за поддръжка, и изходните данни за напрежението на изолатора на сензора, от които зависи вашата подстанция, ще бъдат достатъчно точни, за да им се доверите.

Често задавани въпроси относно калибрирането на място на изходите за напрежение на изолатора на сензора

1. “IEC 61869-1:2023”, https://webstore.iec.ch/publication/60756. Определя общите изисквания за инструментални трансформатори, включително класове на точност и условия за изпитване. Роля на доказателство: стандарт; Тип на източника: стандарт. Поддържа: Потвърждава IEC 61869-1 като основна рамка, определяща системите от класове на точност и условията на изпитване за проверка. ↩

2. “IEC 61010-1:2010”, https://webstore.iec.ch/publication/65914. Установява изискванията за безопасност на електрическото оборудване за измерване, контрол и лабораторна употреба. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: Утвърждава изискванията за безопасност и категориите на измерване за калибриращо оборудване в среда на подстанция. ↩

3. “ISO/IEC 17025:2017”, https://www.iso.org/standard/66912.html. Определя общите изисквания за компетентност, безпристрастност и последователна работа на лабораториите. Роля на доказателството: стандарт; Вид на източника: стандарт. Подкрепя: Установява веригата за проследимост и изискванията за неопределеност на измерванията за правно защитими калибрирания. ↩

4. “Температурен коефициент”, https://en.wikipedia.org/wiki/Temperature_coefficient. Обяснява как физичните и електричните свойства на материалите се променят при промяна на температурата. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: Потвърждава, че температурните колебания внасят систематични грешки в съотношението в компонентите на капацитивния сензор. ↩

5. “Преобразувател True RMS”, https://en.wikipedia.org/wiki/True_RMS_converter. Описва необходимостта от измерване на истинската ефективна стойност за точно отчитане на несинусоидални променливи токове. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: Потвърждава, че истинското средноквадратично измерване е задължително, за да се избегнат систематични грешки при измерване на изкривени форми на вълната, присъстващи в подстанциите. ↩