Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

заносятсявпротоколповеркиустановленноготипа, распечатываютсянапринтереисохраняютсявэлектронном виде на жестком диске компьютера.

Набор компараторов тока служит для воспроизведения и хранения единиц коэффициента и угла МПСТ на частоте 50 Гц в диапазоне номинальных значений первичного тока от 0,5 А до 50 кА.

Компаратор ТТЭК-30К/5 состоит из двух каскадов: А и В. Каскадную схему включения применяют при токах свыше 3000 А (600 А при вторичном номинальном токе 1 А). В диапазоне первичного тока 0,5–3000 А и вторичном номинальном токе 5 А используют каскад В в одиночном включении (при вторичном номинальном токе 1 А – в диапазоне первичного тока 0,5–600 А). Суммарный коэффициент трансформации при каскадном включении трансформаторов равен произведению их коэффициентов.

Пультоператорасостоитизрегулируемыхисточников напряжения, силовых коммутаторов, измерительного блока, прибора сравнения, компьютера и принтера. Соединение эталонного и калибруемого трансформаторов сприборомсравненияКНТ-05АМосуществляетсяспо- мощью попарно свитых проводников с нормируемыми значениями сопротивления.

Входящие в состав эталона трансформаторы тока ТТЭ-3000.5, ТТЭ-100 иТТЭ-200 используютсявкачестве эталонов сравнения при проведении международных сличений. Трансформатор ТТЭ-3000.5 применяется в диапазоне первичных номинальных токов 0,5–3000 А и вторичных номинальных токах 1 А и 5 А. При токах свыше400 Авкачествепервичнойобмоткииспользуется съемный шинопровод. Его конструкция позволяет с высокойточностьюистабильностьюобеспечиватьвоспро-

изведениекоэффициентаиуглаМПСТ. Трансформаторы ТТЭ-100 и ТТЭ-200 служат для расширения диапазона первичного тока и работают совместно с ТТЭ-3000.5 в каскаднойсхемевключения. МаксимальныйтокТТЭ-100 составляет18 кА, ТТЭ-200 – 60 кА. Всетрансформаторы изготовленыпосхемедвухступенчатыхчетырехобмоточных компараторов с электронной компенсацией.

В основу работы ГЭТ 152-2011 положен принцип равенствамагнитодвижущихсил, возникающихприпротеканиитокаповиткампервичнойивторичнойобмоток

или диапазона номинальных значений первичного и вторичного токов.

Погрешностькомпараторатокавыраженаформулой:

ε = ε p + jεq = Ns Is / (N p I p )− 1 , (3)

где ε p ,εq – синфазная иквадратурная (сдвигпофазе на 90º) составляющие комплексной погрешности ε, соответственно; Np, Ns – число первичных и вторичных витков; Ip, Is – первичныеивторичныекомплексныетоки.

В таблице 1 приведены метрологические характеристики ГЭТ 152-2011, а в таблице 2 – показатели точности при воспроизведении единицы коэффициента и угла МПСТ.

Результаты международных сличений

С целью определения степени эквивалентности национальных эталонных измерительных систем коэффициента преобразования переменного тока между УНИИМ(Россия) иРТВ(Германия) в2010–2011 гг. были проведены дополнительные двухсторонние сличения ИТТсноминальнымикоэффициентамипреобразования тока(5 А...50 кА/5 А; 1 А…50 кА/1 А) причастоте50 Гц.

Сличения проходили в рамках проекта СОOMET. EM-S11 и темы КООМЕТ 513/DE-a/10. В качестве ин- ститута-пилота выступил РТВ.

Транспортируемые эталоны сравнения подготовил УНИИМ. Использовались трансформаторы тока из состава эталона сравнения [3] ТТЭ-3000.5 в диапазоне первичных номинальных токов (1–3000) А и трансфор- матортокаТТЭ-200 совместносТТЭ-3000.5 вкаскадном включениивдиапазонетоков(5–50) кАначастоте50 Гц.

На основании результатов сличений можно сделать вывод, чтокалибровочныевозможностиГЭТ152-2011со-

ответствуют мировому уровню. Результаты сличений доложены на конференции СРЕМ в 2012 г. [4]

С 01.01.2015 г. введен в действие стандарт на поверочную схему [3].

Литература

1.ГОСТ7746-2001. «Трансформаторытока. Общиетехнические условия».

2.ГОСТ23624-2001. «Трансформаторытокаизмерительные лабораторные. Общие технические условия».

3.ГОСТ Р 8.859-2013. «Государственная система обеспеченияединстваизмерений. Государственнаяповерочная схемадлясредствизмеренийкоэффициентаиугламасштабного преобразования синусоидального тока».

4.Enrico Mohns, Y Sychev and G Roeissle. Final report on COOMET.EM-S11: Supplementary bilateral comparison of the measurement of current transformers between UNIIM and PTB. Metrologia. 51. 2014.

Государственный первичный специальный эталон единицы электрического напряжения переменного тока промышленнойчастотывдиапазонеот1 до500 кВ(ГЭТ 191-2011, далее – ГПСЭ) предназначен для воспроизведения и хранения единицы электрического напряжения переменноготокапромышленнойчастотывдиапазонеот 1 кВ до 500 кВ и передачи размера данной единицы при помощирабочихэталоноврабочимсредствамизмерений с целью обеспечения единства измерений.

Принцип действия

ГПСЭ представляет собой комплекс основных и вспомогательныхсредствизмерений, приспособленийи устройств, размещенныхнаспециальнопредназначенной площади, в помещении с нормированными условиями (температурой, влажностью). Помещения – высоковольтный зал и пультовая – оборудованы средствами автоматизированногоконтролятемпературы, влажности, атмосферногодавления, атакжеконтролякачестваэлектрической энергии.

Единица электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ воспроизводится следующим образом (рис. 1).

От источника высокого напряжения (1 – ИВН) измеряемоенапряжение(Uи) переменноготоканоминальной частотой 50 Гц подается на блок преобразовательный высоковольтный (2 – БПВ).

Значениеизмеряемогонапряженияможетнаходиться

вдиапазоне от 1 до 500 кВ.

Спомощью конденсатора высоковольтного Св и блокаплечанизкогонапряжения(5 – БПНН) измеряемое высокое напряжение преобразуется в низкое опорное напряжение Uо и подается в блок опорного напряжения (4 – БОН). В данном блоке от повторителя напряжения ПН опорное напряжение Uо поступает на цифровой вольтметр ЦВ, который через кабель связи передает на персональный компьютер ПК измеренное значение Uо. ЭтожеопорноенапряжениеUопоступаетвблокуравновешивания токов (3 – БУТ) на опорный конденсатор Со.

Если значение Uо более 10 В или менее 5 В, то по каналусвязиотПКидеткоманданапереключениеБПНН на необходимую ступень преобразования.

Опорное напряжение через конденсатор опорный Со пропорционально преобразуется в ток опорный Iо, значение которого рассчитывается по формуле:

Iо = 2·π·f·Uо·Со.

Аналогично измеряемое высокое напряжение через конденсатор высоковольтный измерительный Си пропорционально преобразуется в ток измерительный Iи, значение которого рассчитывается по формуле:

Iи = 2·π·f·Uи·Си.

В компараторе токов КТ данные токи сравниваются

изатем уравновешиваются с помощью моста автоматического МА, то есть выставляется такой коэффициент, при котором выполняется равенство токов. Поскольку отношение токов в конденсаторах при подаче одинаковогонапряжениянаихвходыврежимесамокалибровки является скомпенсированной величиной, то измеряется непосредственноотношениенапряженийUи/Uо. ИзБУТ значениеотношениянапряженийKu подаетсявПК, одновременно в ПК фиксируется значение Uо, измеренное вольтметром ЦВ.

По итогам измерений производится расчет измеряемого высокого напряжения

Uи = Ku·Uо.

ОбщийвидГПСЭпредставленнарис. 2. Фотография представляетвнешнийвидвысоковольтнойчастиГПСЭ: источниквысокогонапряженияпеременноготока(ИВН)

иблок высоковольтный преобразовательный (БПВ). Внешнийвидпультауправленияисточникавысокого

напряжения представлен на рис. 3.

Источник высокого напряжения переменного тока (ИВН) выполнен по модульной схеме. ИВН состоит из четырех модулей по 125 кВ каждый. Модульная конструкция позволяет использовать как один модуль, так и два, и три, и четыре, что достаточно удобно в ограниченномпространственебольшихвысоковольтных лабораторий. Кроме того, конструкция каждого модуля впервые выполнена в элегазовой изоляции, а не в масляной, как это принято в классических конструкциях. Это дополнительно позволило уменьшить габаритные размеры и, что немаловажно, массу ИВН.

ИВН обеспечивает выходной ток на максимальном напряжении не менее 30 мА. Время выдержки напряжения без учета времени подъема не менее 1 ч. В ИВН предусмотреназащитаоткороткогозамыканияповыходу при пробое испытательного объекта.

Пультуправления(рис. 3) обеспечиваетдиапазонрегулированияот0,5 до500 кВ. Точностьустановкинапряжения в пределах ± 3%. Пульт позволяет осуществлять грубую и плавную регулировки выходного напряжения.

Габариты и масса ИВН:

–высота каждого модуля 0,9 м;

–масса каждого модуля 100 кг.

Блок высоковольтный преобразовательный (БПВ). Внешний вид блока высоковольтного преобразова-

тельного (БПВ) представлен на рис. 4.

БПВ представляет собой бак высокого давления, изготовленный из гетинаксовой трубы. Труба является одновременно внешней изоляцией высоковольтного конденсатора. Рядом с транспортной рамой предусмотрены клапан для заполнения сжатым газом, манометр для индикации давления и разъемы для подключения

Рис. 2. Общий вид источника высокого напряжения (ИВН) и блока высоковольтного преобразовательного (БПВ)

Рис. 3. Общий вид пульта управления источника высокого напряжения переменного тока (ИВН)

Рис. 4. Внешний вид блока высоковольтного преобразовательного (БПВ)

измерительных кабелей. У фланцев и крышек бака высокогодавленияпредусмотреныэкранирующиеколпаки. Высоковольтныйконденсаторсостоитизизмерительных электродов, установленныхнастойке, иокружающегоих соосного высоковольтного электрода. Обкладки обеих измерительных емкостей подведены со стороны земли к коаксиальным гнездам. Для защиты измерительных приборов и измерительного устройства предусмотрены высоковольтные разрядники.

БПВ служит для преобразования поданного на него высокого напряжения в переменный ток, который в последствииизмеряетсяблокомплечанизкогонапряжения.

Блок плеча низкого напряжения (БПНН)

Блок плеча низкого напряжения (БПНН), представленный на рис. 5, предназначен для создания опорного напряженияUоипредставляетсобойдесятьпереключаемых ступеней по команде, получаемой по USB кабелю ПКотцифровоговольтметравсоставеэталона. Ступени подобранытакимобразом, чтобынавыходеприсутствовало напряжение от 5 до 10 В.

Повторитель напряжения (ПН)

Повторительнапряжения(ПН) предназначендляподачи опорного напряжения от БПНН на вход опорного конденсатора. Повторитель выполнен специально для работы с емкостной нагрузкой до 10 нФ.

На рис. 6 представлен внешний вид ПН. Основные характеристики ПН:

–диапазон входного и выходного напряжений переменного тока………………. от 1 до 10 В;

–номинальная частота передаваемого напряжения переменного тока……….………… 50 Гц;

–входное сопротивление……………… 100 МОм.

Цифровой вольтметр (ЦВ)

Принцип действия цифрового вольтметра основан на непосредственной оцифровке входного сигнала с помощью прецизионного Сигма-Дельта АЦП и дальнейшей его математической обработке. Такой механизм

Рис. 5. Внешний вид блока плеча низкого напряжения (БПНН)

Рис. 6. Внешний вид повторителя напряжения (ПН)

Рис. 7. Внешний вид цифрового вольтметра (ЦВ)

Рис. 8. Внешний вид мостового компаратора тока

измеренияотношениятоковпоступающихотисточника опорного напряжения и от источника высокого напряжения. Значениекоэффициентаотношениянапряжений Кu, полученное при этом процессе, используется при

расчете измеряемого высокого напряжения Uи, то есть

Uи = Кu.Uо.

Основой, на которой базируется процесс измерения, являетсявариационныйметодизмерения. Используемая вМКТразновидностьвариационногометодаизмерения предусматриваетизмерение(вариацию) отношениятока на известное с необходимой точностью значение. Разность значений измеряемой величины до и после вариации используется в качестве калибровочного сигнала. Вычисления, необходимые для получения результата, осуществляет ПК.

Технические характеристики МКТ представлены в таблице 4.

Внешнийвидмостовогокомпараторатокапредставлен на рис. 8.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

ГПСЭ воспроизводит и хранит единицу электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 кВ 500 кВ.

ГПСЭ воспроизводит значения напряжения переменного тока со средним квадратическим отклонением (далее– СКО) S0(Ui), непревышающим2,1·10-4 вотносительных единицах при 10-ти независимых измерениях.

При этом стандартная неопределенность воспроизведения и измерения напряжения переменного тока в диапазоне от 1 до 500 кВ, оцениваемая по типу А, uA(U), не превышает2,1·10-4 вотносительныхединицах. Приэтом стандартная неопределенность, оцененная по типу В, uВ(U), не превышает 1,0·10-4 вотносительных единицах. РасширеннаянеопределенностьU0,95(U) (р=0,95, k=2) не превышает 5,0·10-4 в относительных единицах. Нестабильность ГПСЭ за год (ν0) в относительных единицах не превышает 2·10-5 при воспроизведении значений напряжений переменного тока в диапазоне от 1 до 500 кВ.

Результаты международных сличений

(тема СООМЕТ № 490/RU/10)

Основные метрологические характеристики эталона сравнения

Диапазон измерений напряжения, кВ (RMS) – от 1

до 200.

Номинальная частота, Гц – 50.

Среднее квадратическое отклонение результата измерений S0(U) при 10-ти независимых наблюдениях –

2,1·10-4.

Неисключенная систематическая погрешность Q.

В.В. Киселев, А.В. Щетинин

Рис. 9. Эталон сравнения – делитель КГИ 230

Росстандартом России 2014 г. утвержден Государственныйпервичныйэталонединицыуглафазовогосдвига между двумя электрическими сигналами в диапазоне частот от 0,1 МГц до 65 ГГц (ГЭТ 207-2013).

Измерение угла фазового сдвига между двумя электрическими напряжениями (электромагнитными колебаниями) широко применяется при исследованиях в области физики, энергетики, радиотехники, электроники, космонавтики и других областях знаний. Сфера применения фазовых методов постоянно расширяется – этообуславливает развитие средств измерений угла фазовогосдвигакаквнаправленииповышенияточности измерения, такиврасширениидиапазонарабочихчастот их работы.

Совершенствованиесредствизмеренийуглафазового сдвигамеждудвумяэлектрическимисигналамиявляется одной из перспективных и быстро развивающихся областей измерительной техники.

Мощным толчком ее развития явилось создание нового поколения радиотехнических систем специального назначения, глобальных навигационных спутниковых систем для абсолютных и относительных измерений местоположенияобъектанаЗемле, системсвязи. Следует отметить, что измерение угла фазового сдвига является определяющим как при настройке и эксплуатации самих систем, так и при изготовлении необходимой для них элементной базы с нормируемыми техническими характеристиками, такими как: угол фазового сдвига и фаза коэффициента передачи. средства измерений обеспечиваютизмерениеуглафазовогосдвигамеждудвумя электрическимисигналами, фазыкоэффициентапередачичетырехполюсников. Приборыработаютпозаданному классу сигналов в широком частотном и амплитудных диапазонах их измерения.

Созданию современных средств измерений угла фазового сдвига присущи следующие основные тен-

денции: расширение диапазона рабочих частот и функциональных возможностей, а также совмещение функций измерения параметров сигналов и параметров радиотехнических цепей. Примером реализации данных тенденций являются уже широко применяемые приборы нового класса – автоматические анализаторы цепей, в которых за счет усложнения алгоритмов обработки результатов измерений существенно повышена точность измерения угла фазового сдвига между двумя электрическими сигналами, фазы коэффициента передачи четырехполюсников.

Государственный эталон единицы угла фазового сдвигапредставляетсобойкомплекссредствизмерений, предназначенныхдлявоспроизведения, храненияипередачиединицыэталонамирабочимсредствамизмерений.

В состав эталона входят:

–устройствовоспроизведенияуглафазовогосдвига;

–компаратор эталона;

–комплекты мер для калибровки компаратора в коаксиальных и волноводных трактах;

–комплектыэталоновсравненияуглафазовогосдвига

вкоаксиальных и волноводных трактах;

–вспомогательные элементы и оборудование.

Угол фазового сдвига воспроизводится в диапазоне частот от 0,1 до 100 МГц путем формирования методом прямого цифрового синтеза сигналов опорного и измерительного каналов с заданной частотой и углом фазового сдвига.

Задание угла фазового сдвига между сигналами опорного и измерительного каналов производится на основеточныхприращенийчастотыивременизадержки. Внешний вид устройства воспроизведения представлен на рис. 1.

Компаратор эталона – комплекс технических и программныхсредств, обеспечивающихпроцедурупередачи единицы УФС.

Рис. 3. Комплекты эталонов сравнения с соединителями в виде фланцев прямоугольных волноводов

Компаратор эталона реализован на базе векторного анализатора цепей в качестве которого используются приборы фирмы Agilent Technologies E8364B (диа-

пазон частот 0,01–50 ГГц) и E8361С (диапазон частот

0,01–67 ГГц).

Комплектмердлякалибровкикомпараторавключает меры с коаксиальными соединителями типов II, IV,

Рис. 2. Комплекты эталонов сравнения с коаксиальными соединителями

N 75, III, N, IX; 3,5 мм, 2,92 мм; I, и1,85 ммвдиапазоне частот от 0,1 МГц до 65 ГГц и меры с соединителями в виде фланцев прямоугольных волноводов сечением

72×34, 58×25, 48×24, 40×20, 35×15, 28,5×12,6, 23×10, 16×8, 11×5,5, 7,2×3,4 мм, в диапазоне частот от 2,59 до 37,5 ГГц.

Комплектэталоновсравнениявключаетмерыввиде мер комплексного коэффициента передачи и отрезков волноводовдляпередачиуглафазовогосдвигаэталонам с коаксиальными соединителями типов II, IV, N 75, III, N, IX; 3,5 мм, 2,92 мм; I, и 1,85 мм в диапазоне частот от0,1 МГцдо 65 ГГцис соединителями ввиде фланцев прямоугольных волноводов сечением 72×34, 58×25, 48×24, 40×20, 35×15, 28,5×12,6, 23×10, 16×8, 11×5,5, 7,2×3,4 мм, в диапазоне частот от 2,59 до 37,5 ГГц. На рис. 2, 3 представлены фотографии некоторых комплектов эталонов сравнения.

Эталон обеспечивает передачу единицы угла фазового сдвига (УФС) устройствам с коаксиальными соединителями (в коаксиальных волноводах с диаметрами поперечного сечения 16,0/6,95 мм, 16,0/4,58 мм, 7,0/2,01 мм, 7,0/3,04 мм, 3,5/1,52 мм, 2,92/1,27 мм, 2,4/1,04 мм и 1,85/0,8 мм) в диапазоне частот от 0,1 МГц до 65 ГГц и с соединителями в виде фланцев прямоугольных волноводов в диапазоне частот от 2,59 до 37,5 ГГц.