Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018.
Određivanje prijenosnih karakteristika
induktivnih naponskih mjernih transformatora
namijenjenih mjerenju kvalitete električne
energije
Dr.sc. Božidar Filipović-Grčić, dipl.ing.el.
Fakultet elektrotehnike i računarstva
Sveučilište u Zagrebu
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 1
Sadržaj
� Uvod
� Ispitni krugovi za proizvodnju visokih napona koji sadrže više harmonike
� Ispitivanje frekvencijskog odziva (frequency response) i harmonijskog izobličenja (harmonic distortion) na naponskom induktivnom mjernom transformatoru za SN mrežu
� Ispitivanje visokonaponske opreme (Um=420 kV) sa osnovnim harmonikom i superponiranim višim harmonikom
� Zaključak
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 2
Uvod
� Naponski harmonici i ukupno harmonijsko izobličenje napona
� Uzroci: nelinearni tereti, uređaji energetske elektronike…
� Negativni efekti: dodatno zagrijavanje i gubici na elementimaEES-a (prijenosni vodovi, transformatori, kompenzacijski uređaji…)
� IEC 61000-4-30:2015, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part
4-30: Testing and measurement techniques – definirani zahtjevi natočnost PQ uređaja (klasa A); nisu definirani zahtjevi na točnost
mjernih transformatora
� U SN i VN postrojenjima PQ uređaji se spajaju na sekundarnaponskih mjernih transformatora
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 3
Uvod
� IEC 61869-3:2011 “Instrument transformers - Part 3: Additional
requirements for inductive voltage transformers” – definirazahtjeve na granice točnosti mjernih transformatora pri nazivnojfrekvenciji (50 Hz ili 60 Hz); nema zahtjeva na točnost na višim
frekvencijama
� Naponska i fazna pogreška mjernog transformatora su ovisne ofrekvenciji
� Ukupna točnost mjerenja KEE ovisi o prijenosnim
karakteristikama naponskih transformatora na višim
frekvencijama
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 4
Uvod
� Ispitivanje frekvencijskog odziva (frequency response - FR) iharmonijskog izobličenja (harmonic distortion - HD)
� Vrlo mali broj ispitnih krugova opisano u literaturi; ispitni naponido maksimalno 200 kV; ne postoji standardna oprema zaispitivanje…
� Jedno opisano ispitivanje u literaturi na 400 kV induktivnommjernom transformatoru. Maksimalna amplituda proizvedenihnaponskih harmonika 1% (do 1 kHz) i 0,2% (od 1 kHz do 5 kHz).
� Problem ograničenja snage izvora u ispitnom krugu.
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 5
Ciljevi
� Ispitni krug za proizvodnju visokog izmjeničnog napona koji uzosnovni harmonik sadrži i dovoljnu amplitudu viših harmonika (do15% amplitude osnovnog harmonika)
� Zahtjevi na ispitni krug: frekvencija 50 Hz – 2.5 kHz; nazivni naponopreme do 420 kV
� Ispitivanje frekvencijskog odziva i harmonijskog izobličenjainduktivnog naponskog mjernog transformatora
� Određivanje fazne pogreške i korekcijskih faktora za prijenosniomjer (naponska pogreška)
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 6
Ispitni krugovi za proizvodnju visokih napona koji sadrže više harmonike
Pojačalo
AWG
Ispitni
objekt
Mjerni kabel
Mjerna
oprema
Kapacitivno
naponsko
djelilo
VN mjerni sustav
Ispitni
transformator
Ispitni krug sa jednim izvorom bez kompenzacije
)sin()sin(1 tiUtUU iAWG ω+ω=
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
pi/p
1 (p
.u.)
Harmonic
( ) ( )tip
pUXtUU
i
AWG ω⋅
⋅+ω= sin100
sin 111
Frekvencijska ovisnost prijenosnog omjera ispitnog transformatora
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 7
Ispitni krugovi za proizvodnju visokih napona koji sadrže više harmonike
Ispitni krug sa jednim izvorom i sa kompenzacijom
Pojačalo
AWG
C1
CibLib
Li
C1bL1b
Ispitni
objekt
Mjerni kabel
Mjerna
oprema
Kapacitivno
naponsko
djelilo
VN mjerni sustav
Ispitni
transformator
Ci
Nepropusni filter
za osnovni
harmonik
Kompenzacija
za i-ti harmonik
Nepropusni filter
za i-ti harmonik
Kompenzacija
za osnovni
harmonik
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 8
Ispitni krugovi za proizvodnju visokih napona koji sadrže više harmonike
Ispitni krug sa dva izvora i sa kompenzacijom
NN mreža
220 V
Regulacijski
transformator
Međutransformator
Pojačalo
C1p
C1
CibLib
Lip
C1bL1b
CiAWG Li
Ispitni
transformator
Ispitni
objekt
Mjeni kabel
Mjerna
oprema
Kapacitivno
naponsko
djelilo
Izvor 1: proizvodnja osnovnog
harmonika napona (50 Hz)
Izvor 2: proizvodnja viših naponskih
harmonikaVN mjerni sustav
Nepropusni
filter za
osnovni
harmonik
Nepropusni filter
za i-ti harmonik
Propusni filter
za i-ti
harmonik
Propusni filter
za osnovni
harmonik
Međutransformator
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 9
Ispitni krug za ispitivanje frekvencijskog odziva i harmonijskog izobličenja
PC controlled
IVT
Measuring system
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 10
Kapacitivno naponsko djelilo kao referentni mjerni sustav
241.5
242
242.5
243
243.5
244
244.5
245
245.5
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
50 400 750 1100 1450 1800 2150 2500
Rat
io
Phas
e d
ispla
cem
en
t δ
(min
ute
s)
f (Hz)
Phase displacement
Ratio
Prijenosni omjer i fazni pomak kapacitivnog naponskog djelila određeni suprema IEC 60060-2 za frekvencije 50 Hz – 2.5 kHz u koracima od 50 Hz.
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 11
� Svrha ovog ispitivanja je odrediti fazne i naponske pogreškeinduktivnog naponskog transformatora na frekvencijama od50 Hz do 2,5 kHz.
� Ispitivanje provedeno pri osnovnom harmoniku napona kojiodgovara nazivnom primarnom naponu induktivnogtransformatora (fazni napon prema zemlji) za 3 varijantesekundarnog tereta: 0%, 50% i 100% nazivnog tereta.
� Amplitude viših naponskih harmonika iznose 10% amplitudeosnovnog harmonika kako bi se osigurao visoki omjer izmeđumjerenog sekundarnog signala i razine smetnji (šuma).
Ispitivanje frekvencijskog odziva
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 12
� Svaki viši harmonik posebno je superponiran osnovnomharmoniku i takav napon narinut je na primar naponskogtransformatora.
� RCF – (ratio correction factor) korekcijski faktor za prijenosniomjer – jednak je omjeru napona na primarnoj stranimjerenih referentnim mjernim sustavom (kapacitivno djelilo) inaponskim transformatorom.
� Fazna pogreška δ jednaka je zbroju kutne razlike izmeđuharmonika mjerenih na VN i NN strani djelila δd i kutne razlikeizmeđu harmonika mjerenih na NN strani djelila i NN straninaponskog transformatora δd-LV .
Ispitivanje frekvencijskog odziva
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 13
LVi
didii
Up
UpRCF
⋅
⋅=
LViddii −+= δδδ
0.987
0.99
0.993
0.996
0.999
1.002
1.005
0 500 1000 1500 2000 2500
RC
F
Frequency (Hz)
50 VA 25 VA 0 VA
-100
-50
0
50
100
150
200
250
0 500 1000 1500 2000 2500
δ(m
inute
s)
Frequency (Hz)
1a-1n
50 VA 25 VA 0 VA
2222
⋅
∂
∂+
⋅
∂
∂+
⋅
∂
∂+
⋅
∂
∂= ULV
LV
pUd
di
pd
di
RCFi uU
RCFu
p
RCFu
U
RCFu
p
RCFu
Maksimalni iznos proširene mjerne nesigurnosti za RCFi iznosi 0,57 %.
Proširena mjerna nesigurnost fazne pogreške δi iznosi 0,82 minute.
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 14
Ispitivanje frekvencijskog odziva
� Svrha ovog ispitivanja je odrediti sadržaj viših harmonikakoje generira naponski transformator na sekundaru, kada jena primaru narinut čisti sinusni napon osnovnog harmonika(50 Hz).
� Ispitivanje provedeno pri iznosima (50 Hz) napona 1 p.u. i1.1 p.u. od nazivnog faznog napona prema zemlji, za 3varijante sekundarnog tereta: 0%, 50% i 100% nazivnogtereta.
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 15
Ispitivanje harmonijskog izobličenja
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0 500 1000 1500 2000 2500
∆U
i(%
)
Frequency (Hz)
n
50 VA 25 VA 0 VA
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 500 1000 1500 2000 2500
∆U
i(%
)
Frequency (Hz)
50 VA 25 VA 0 VA
Narinuti napon Un
Ui
∆Ui
φi
i
didi
RCFp
pU
⋅⋅
( ) %100
cos21
2
2
LV
i
i
di
dii
i
di
diiiURCFp
pUU
RCFp
pUUU ⋅⋅
⋅⋅⋅⋅−
⋅⋅+=∆ ϕ
Narinuti napon 1.1·Un
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 16
Ispitivanje harmonijskog izobličenja
Ispitivanje opreme sa Um=420 kV
NN mreža
220 V
Regulacijski
transformator Međutransformator
Pojačalo
C1p
C1
C3bL3b
L3p
C1bL1b
AWG L3
519.6 V
Ispitni
transformator
Ispitni
objekt
Mjerni kabel
Mjerna
oprema
Kapacitivno
naponsko
djelilo
Izvor 1: proizvodnja osnovnog
harmonika napona (50 Hz)
Izvor 2: proizvodnja trećeg
naponskog harmonikaVN mjerni sustav
Nepropusni
filter za
osnovni
harmonik
Nepropusni
filter za treći
harmonik
Propusni filter
za treći
harmonik
Propusni filter
za osnovni
harmonik
Međutransformator
230.1 A
56.6 A
36 A
17 A
23.4 V
8 A24 A
230.7 A36.8 A
256.3 A
25.6 A4.7 A
41.5 A
173.2 V77.9 V
87.1 A
66.2 mA
2U
2V
2WU
1U
1V
1/3U
2/3U
1/3U1W
I
C1p
C3bL3b
1/3U
2/3U
1/3U
Impedancija
filtera Zf
2
' 1
pZZ ff ⋅=
20 kV / 400 V,Dyn5, 630 kVA
p=86.6 → p’=28.9
IL3b=256.3 A → I’L3b=8.9 A
50 Hz (420/√3 kV) + 150 Hz (15% of 420/√3 kV)
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 17
Ispitivanje opreme sa Um=420 kV
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 18
Prigušnica za uzemljenje zvjezdišta u
HVDC postrojenju
Zaključak
� Predloženi su različiti ispitni krugovi za proizvodnju VN koji se sastoji odosnovnog harmonika i superponiranih viših harmonika s amplitudom5-15% osnovnog harmonika.
� Na temelju mjerenja frekvencijskog odziva i harmonijskog izobličenjanaponskog transformatora određeni su korekcijski faktori za prijenosniomjer i fazne pogreške na frekvencijama 50 Hz – 2,5 kHz.
� Ovi podaci mogu se primijeniti na rezultate mjerenja PQ uređaja kako bi seeliminirale pogreške u mjerenju viših harmonika koje unose mjernitransformatori.
� Kako bi se ispitne mogućnosti proširile za napone 123 kV≤Um≤420 kV,primijenjena je kompenzacija za osnovni i više harmonike sa specijalnimnačinom spajanja u ispitni krug preko propusnih i nepropusnih filtera.
� Uspješno su provedena ispitivanja opreme na srednjem naponu i visokomnaponu do 420 kV.
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 19
Literatura
� Filipović-Grčić, Dalibor; Filipović-Grčić, Božidar; Krajtner, Danijel. Frequency response and harmonic
distortion testing of inductive voltage transformer used for power quality measurements // 4th
International Colloquium "Transformer Research and Asset Management", Pula, Croatia, May 10 – 12,
2017. (predavanje, međunarodna recenzija, objavljeni rad, znanstveni)
� Filipović-Grčić, Dalibor; Filipović-Grčić, Božidar; Žiger, Igor; Krajtner, Danijel; Brezak, Danijel; Gardijan, Rajko.Temperature rise and DC current capability tests of star-point reactor used in HVDC transmission // SECONDSEERC CONFERENCE 2018: ENERGY TRANSITION AND INNOVATIONS IN ELECTRICITY SECTOR. Kyiv, Ukraine,2018. 1-10 (predavanje, međunarodna recenzija, rad u postupku objavljivanja, znanstveni).
� IEC 61000-2-2: “Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-2: Environment - Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems”, Secondedition, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, March 2002.
� IEC 61000-2-12: “Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-12: Environment - Compatibility levels forlow-frequency conducted disturbances and signalling in public medium-voltage power supply systems”, Firstedition, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, April 2003.
� IEC 61000-3-6: “Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-6: Limits - Assessment of emission limits forthe connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems”, Second edition, InternationalElectrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, February 2008.
� EN 50160: “Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks”, Third edition, 2003.
� IEC 61000-4-30: “Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-30: Testing and measurement techniques -Power quality measurement methods”, Second edition, International Electrotechnical Commission, Geneva,Switzerland, October 2008.
� IEC 61869-3: “Instrument transformers - Part 3: Additional requirements for inductive voltage transformers”,First edition, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, July 2011.
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 20
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018.
Određivanje prijenosnih karakteristika
induktivnih naponskih mjernih transformatora
namijenjenih mjerenju kvalitete električne
energije
Dr.sc. Božidar Filipović-Grčić, dipl.ing.el.
Fakultet elektrotehnike i računarstva
Sveučilište u Zagrebu
Seminar „Kvalitet električne energije”, Tuzla, BiH, 11.05.2018. 21
Ovaj rad je sufinancirala Hrvatska zaklada za znanost projektom 9299 „Razvoj
naprednih visokonaponskih sustava primjenom novih informacijskih i
komunikacijskih tehnologija“.