Разработка методов и средств повышения точности счетчиков электроэнергии и производительности технологического контроля при их производстве

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………… 6
1. Датчики тока в счетчиках электроэнергии и технологический контроль
при производстве счетчиков …………………………………………………………………………. 16
1.1. Датчики тока в счетчиках электроэнергии …………………………………………….. 16
1.2. Погрешности трансформаторов тока, методы их уменьшения ………………. 19
1.2.1. Методы уменьшения погрешностей трансформаторов тока с
использованием активных схем………………………………………………………………….. 22
1.2.2. Современные эталонные трансформаторы тока ……………………………….. 25
1.2.3. Работа трансформатора тока при воздействии постоянного тока ……… 27
1.2.4. Работа трансформатора тока при воздействии внешнего постоянного
магнитного поля ………………………………………………………………………………………… 29
1.3. Технологический контроль при производстве счетчиков электроэнергии 29
1.4. Выводы по первому разделу …………………………………………………………………. 33
2. Разработка активного трансформатора тока и методов косвенного
оценивания погрешностей трансформаторов тока ………………………………………. 35
2.1. Трансформатор тока. Принцип работы, схема замещения. …………………….. 35
2.2. Работа измерительного трансформатора тока при воздействии внешнего
постоянного магнитного поля ………………………………………………………………………… 38
2.3. Активный трансформатор тока………………………………………………………………. 40
2.3.1. Принцип работы, математическая модель ……………………………………….. 40
2.3.2. Анализ погрешностей на основе математической модели ………………… 47
2.3.3. Частотная характеристика усилителя АТТ ………………………………………. 53
2.3.4. Оценка влияния характеристик усилителя на погрешности АТТ
(моделирование в симуляторе Multisim) …………………………………………………….. 56
2.4. Работа активного трансформатора тока при воздействии внешнего
постоянного магнитного поля ………………………………………………………………………… 62
2.4.1. Влияние ЧХ усилителя на работу АТТ, коррекция погрешностей ……. 67
2.5. Косвенные методы оценивания погрешностей трансформатора тока …….. 71
2.5.1. Методы измерения тока намагничивания трансформатора тока……….. 73
2.5.2. Сравнение методов определения тока намагничивания ТТ ………………. 78
2.6. Сравнение разработанных методов определения погрешностей
трансформатора тока со стандартным методом из ГОСТ ……………………………….. 79
2.7.1. Метод подачи напряжения во вторичную обмотку…………………………… 80
2.7.2. Метод холостого хода ……………………………………………………………………… 82
2.7.3. Поверка трансформатора тока в ЦСМ ……………………………………………… 88
2.6.1. Сравнение результатов определения погрешностей всеми методами .. 90
2.6.2. Оценка влияния инструментальных погрешностей на косвенные
методы определения погрешностей трансформатора тока ………………………….. 92
2.7. Оценивание погрешностей активного трансформатора тока ………………….. 95
2.8. Выводы по второму разделу …………………………………………………………………. 97
3. Автоматизированный технологический контроль при серийном
производстве счетчиков электроэнергии ……………………………………………………… 99
3.1. Технологические модули для автоматизированных стендов …………………. 100
3.1.1. Модуль дискретного ввода-вывода ………………………………………………… 100
3.2.2. Технологический USB-концентратор …………………………………………….. 103
3.2. Автоматизированные стенды проверки функционирования счетчиков
электроэнергии ……………………………………………………………………………………………. 106
3.2.1. Устройство стенда проверки функционирования …………………………… 107
3.2.2. Управляющая программа ………………………………………………………………. 113
3.2.3. Анализ производительности ………………………………………………………….. 115
3.3. Автоматизированные стенды контроля метрологических характеристик
счетчиков электроэнергии ……………………………………………………………………………. 116
3.3.1. Методы контроля метрологических характеристик счетчиков
электроэнергии ………………………………………………………………………………………… 117
3.3.2. Стенд автоматизированного контроля метрологических характеристик
однофазных счетчиков электроэнергии …………………………………………………….. 119
3.3.3. Анализ производительности ………………………………………………………….. 122
3.5. Автоматизированный контроль плат преобразователей вакуумных
выключателей ……………………………………………………………………………………………… 124
3.5.1. Плата преобразователя: назначение, режимы проверки………………….. 124
3.5.2. Рабочее место для автоматизированного тестирования
преобразователей, структура стенда …………………………………………………………. 126
3.6. Выводы по третьему разделу ………………………………………………………………. 127
4. Разработка метода испытания счетчиков электроэнергии на влияние
постоянной составляющей и четных гармоник …………………………………………. 130
4.1. Существующая испытательная схема ………………………………………………….. 131
4.2. Экспериментальное определение разброса параметров диодов. …………… 133
4.3. Определение влияния разброса параметров диодов на испытательную
схему …………………………………………………………………………………………………………… 136
4.3.1. Влияние разброса параметров диодов на токи в ветвях испытательной
схемы ……………………………………………………………………………………………………… 136
4.3.2. Влияние разброса параметров диодов на определение погрешности
счетчика …………………………………………………………………………………………………… 141
4.4. Разработанный метод испытания счетчиков электроэнергии на влияние
постоянной составляющей и четных гармоник …………………………………………….. 143
4.4.1. Аналитическое вычисление мощности, регистрируемой счетчиком в
испытательной схеме ……………………………………………………………………………….. 145
4.4.2. Определение погрешности счетчика при испытании его с помощью
разработанной схемы ……………………………………………………………………………….. 148
4.4.3. Оценка погрешностей вносимых разработанной испытательной схемой
в определение погрешности счетчика (моделирование)…………………………….. 152
4.5. Выводы по четвертому разделу ……………………………………………………………. 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 157
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ………………………… 159
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 161
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Таблицы погрешностей активного трансформатора тока при
моделировании в Multisim ……………………………………………………………………………… 168
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Сравнение ЭДС трансформатора тока в режиме холостого хода
и под нагрузкой …………………………………………………………………………………………….. 170
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Ток трансформатора тока при подаче напряжения во
вторичную обмотку ……………………………………………………………………………………….. 175
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Документы о прохождении трансформатором тока ТШП 0,66
У3 поверки в Новосибирском ЦСМ ……………………………………………………………….. 178
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Фотографии разработанных технологических модулей ……. 182
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Главные окна программ (пользовательский интерфейс) для
автоматизированных стендов…………………………………………………………………………. 183
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акт о внедрении технологических стендов в процесс
производства счетчиков электроэнергии ………………………………………………………… 185
ПРИЛОЖЕНИЕ И. Фотографии схем для исследования параметров диодов ….. 186

1. Разработана схема активного трансформатора тока, представляющего собой
стандартный двухобмоточный трансформатор, дополненный индикаторной
обмоткой и усилителем, которые формируют обратную связь и поддерживают
вторичный ток близким к первичному, деленному на коэффициент
трансформации.
2. Разработана математическая модель активного трансформатора тока,
позволяющая определить его токовую и угловую погрешности, в зависимости
от параметров самого трансформатора и усилителя.
3. Спроектирован, изготовлен и экспериментально апробирован активный
трансформатор тока, оценены его погрешности, исследована работа при
воздействии постоянного магнитного поля; показано, что погрешности и в
условиях воздействия магнитного поля и в номинальных условиях
существенно меньше, чем для стандартного пассивного трансформатора тока
(на 1-2 порядка).
4. Разработаны методы косвенного оценивания максимальных погрешностей
стандартных трансформаторов тока, основанные на измерении тока
намагничивания; методы позволяют производить оценивание максимальных
токовой и угловой погрешностей трансформаторов тока различного класса
точности без использования эталонного трансформатора тока и прибора
сравнения.
5. Разработаны технологические модули, необходимые для автоматизации и
повышения производительности технологического процесса серийного
производства счетчиков электроэнергии: модуль дискретного ввода-вывода,
управляемый программно с компьютера, USB-концентратор с защитой от
импульсных помех.
6. Разработаны и внедрены в процесс серийного производства счетчиков
электроэнергии на предприятии АО «Радио и Микроэлектроника»
технологические стенды и программное обеспечение для контроля
функционирования и метрологических характеристик счетчиков
электроэнергии, повышающие производительность выполнения данных
операций на 50 % и 80 %, соответственно, по сравнению с имеющимися
неавтоматизированными стендами.
7. Показано, что для аналогичных полупроводниковых диодов, взятых из одной
партии, разброс таких параметров как объемное сопротивление базы и
обратный ток насыщения может достигать 30-35 %, что может негативно
сказаться на работе схем, где важна симметрия электрических цепей,
содержащих диоды.
8. Разработан метод проведения испытаний счетчиков электроэнергии на
влияние постоянной составляющей и четных гармоник, при использовании
которого дополнительная инструментальная погрешность, добавляемая к
результату определения дополнительной погрешности счетчика и вызванная
разбросом параметров установленных в разных ее ветвях токозадающих
диодов, составляет менее 0,1 % для счетчиков класса точности 1.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АТТ – активный трансформатор тока
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
БД – база данных
БУ – блок управления
В – включение
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВВ – вакуумный выключатель
ВО – включение-отключение (последовательно без паузы)
ИС – испытательная схема
ИСК – интерфейс связи с коммуникатором
КУ – контактирующее устройство
КФМ – калибратор фиктивной мощности
О – отключение
ОВ – отключение-включение (последовательно без паузы)
ОУ – операционный усилитель
ПК – персональный компьютер
СКВ – сухой контакт включения
СКЗ – среднеквадратическое значение
СКО – сухой контакт отключения
ТТ – трансформатор тока
ФЧХ – фазо-частотная характеристика
ЦСМ – центр стандартизации и метрологии
ЧРВ – часы реального времени
ЧХ – частотная характеристика
AC – alternate current (переменный ток)
DC – direct current (постоянный ток)
DIO board – digital input-output board (плата дискретного ввода-вывода)
ESD – electrostatic discharge (электростатический разряд)
NIST – National Institute of Standards and Technology (институт стандартов и
технологий)
PLC – power line communication (коммуникация, построенная на линиях
электропередачи)
RF – radio frequency (радиочастота, интерфейс передачи данных по радио)
UART – universal asynchronous receiver-transmitter (универсальный асинхронный
приемо-передатчик – интерфейс передачи данных)

1. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М. и др. Трансформаторы тока (2-
е издание); Л.: Энергоатомоиздат. Ленинградское отделение, 1989.
2. Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М.; под редакцией А.В. Фремке и
Е. М. Душина, Электрические измерения: учебник для вузов; Л.: Энергия.
Ленинградское отделение, 1980.
3. Белозеров В., Стародубцев Ю. Аморфные металлические материалы.
Силоваяэлектроника,№2,2009.[Электронныйресурс].URL:
http://www.power-e.ru/2009_2_86.php (дата обращения 15.04.2017г.)
4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи.
Издание девятое переработанное и дополненное. Москва, «Высшая школа»,
1996.
5. Вавин В.Н. Трансформаторы тока. М.–Л.: Энергия, 1966.
6. ВольтметрMP730USB-самописец.[Электронныйресурс].URL:
http://www.sinava.ru/MP730.php (дата обращения 01.10.2017г.)
7. Выключатели вакуумные РиМ ВВ-10. Руководство по эксплуатации
ВНКЛ.674152.001 РЭ, 2015.
8. ГОСТ 13607-68. Приборы и преобразователи электроизмерительные
цифровые. Основные термины и определения
9. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия
10. ГОСТ 8.217-2003. Трансформаторы тока. Методика поверки
11. ГОСТ 8.401-80. Классы точности средств измерений. Общие требования
12. ГОСТ 8.584-2004. Счетчики статические активной электрической энергии
переменного тока. Методика поверки
13. ГОСТ Р 52322–2005. Аппаратура для измерения электрической энергии
переменного тока. Частные требования. Часть 21, статические счетчики
активной энергии классов точности 1 и 2.
14. ГОСТ Р 52565-2006. Выключатели переменного тока на напряжение от 3 до
750 кВ. Общие технические условия.
15. Заявкана полезную модель № 2017143476/28(074861). Токовая цепь
счетчика электрической энергии / Ю.А. Пасынков, М.А. Савиных;
патентообладательАО«Радиоимикроэлектроника».–
№2017143476/28(074861); заявл. 08.12.17. – [Решение выдачи патента от
24.04.18].
16. Исследование ESD на уровне системы: примерMSP430™. Texas
Instruments. Новости электроники. №11 (145), 2015 г.
17. Калибраторы мощности КФМ-06. Интегрированные тестовые системы.
[Электронный ресурс]. URL: www.enica.net.ru/products/doc/kfm-060.pdf (дата
обращения 08.05.2017г.)
18. Мамаев А. DLMS/COSEM – открытый протокол для обмена данными с
приборами учета. Часть 1: краткий обзор [Электронный ресурс]. URL:
https://habrahabr.ru/post/302246/ (дата обращения 01.10.2017г.), 2016.
19. ПасынковЮ.А.,СавиныхМ.А..Технологическийконтроль
метрологических характеристик счетчиков электроэнергии на производстве.
Научный вестник НГТУ. – 2018. – №1(70). – С. 22-27.
20. Пасынков Ю.А., Савиных М.А. Исследование схемы испытания счетчиков
электроэнергии на влияние постоянной составляющей и четных гармоник.
Метрология №2 – 2015.
21. Пасынков Ю.А., Савиных М.А. Трансформатор тока в магнитном поле.
Молодой ученый, №24 (158), 2017. С. 188-192.
22. ПоплавныйС.Устройствагальваническийразвязки//Современная
электроника. – 2014 – №4.
23. Постановление Правительства РФ от 4 мая 2012 г. № 442 «О
функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и
(или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии».
24. Ровдо А.А. Полупроводниковые диоды и схемы с диодами. М.: ЛАЙТ ЛТД,
2000.
25. Савиных М.А. Автоматизированный контроль платы преобразователя
вакуумного выключателя. Приборы, №6 (204), 2017. –С 40-44.
26. Савиных М.А. Модуль дискретного ввода-вывода // Сборник материалов
конференции ИКИ-2015. Раздел 5. Элементы, устройства и программные
средства для измерения, контроля и информатизации. – Барнаул: изд-во
АлтГТУ, 2015г. – С. 119-123.
27. Савиных М.А. Технологический USB-концентратор // Приборы. – 2016г. –
№8 (194). – С. 39-42.
28. Семенов. А. История трансформатора: [Электронный ресурс]. URL:
http://www.likeproject.ru/article.php?cont=long&id=395(датаобращения:
12.04.2015)
29. Сердечники из аморфных и нанокристаллических сплавов: [Электронный
ресурс].URL:http://ferrite.ru/products/ferrite_nano_amorphous/(дата
обращения: 12.04.2015)
30. Счетчики электрической энергии однофазные, многотарифные 189.2Х,
производства АО РиМ. [Электронный ресурс]. URL: http://www.zao-
rim.ru/rim_189_2x (дата обращения 30.01.2018г.).
31. Счетчики электрической энергии производства АО «РиМ». [Электронный
ресурс]. URL: www.zao-rim.ru/cat_cntrs (дата обращения 20.05.2017г.).
32. Счетчики электрической энергии производства АО «Электротехнические
заводы«Энергомера».[Электронныйресурс].URL:
www.energomera.ru/ru/products/meters (дата обращения 20.05.2017г.).
33. Счетчики электрической энергии производства ООО «НПК «Инкотекс».
[Электронный ресурс]. URL:www.incotexcom.ru/counters.htm (дата
обращения 20.05.2017г.).
34. Счетчики электрической энергии трехфазные статические РиМ 489.26, РиМ
489.27, РиМ 489.28, РиМ 489.29. Паспорт ВНКЛ.411152.078 ПС.
35. Трансформаторы тока измерительные лабораторные ТТИ-100. Описание
типа средства измерений, 2005.
36. Трансформаторы тока измерительные переносные «ТТИП». Описание типа
средства измерения. Приложение к свидетельству № 34389 об утверждении
типа средств измерений, 2013.
37. Трансформаторы тока эталонные. Руководство по эксплуатации. Часть 1.
Техническая эксплуатация. АМАК.671220.001 РЭ, 2013.
38. Трансформаторытокаэталонныедвухступенчатые«ИТТ-3000.5».
Руководство по эксплуатации. TME 002.4.728.000 РЭ, 2001.
39. Трансформаторы тока измерительные эталонные NCD, NCO. Описание типа
средства измерения, 2006.
40. Установка поверочная универсальная «УППУ-МЭ 3.1КМ-С». Руководство
по эксплуатации. МС2.702.500 РЭ, 2016.
41. Установки для регулировки и поверки счетчиков электрической энергии
ЦУ6800. Описание типа СИ. Приложение к свидетельству №51424 об
утверждении типа средства измерений, 2013.
42. Федеральныйзаконот26.06.2008N102-ФЗ
(ред. от 13.07.2015) «Об обеспечении единства измерений»
43. Хернитер М. Е. Multisim 7. Современная система компьютерного
моделирования и анализа схем электронных устройств. М.: ДМК Пресс,
2006.
44. Цапенко М. П., Мошкин Ю.П., Пасынков Ю.А., Соболева И.А. Создание
комплекса измерительных преобразователей электрических величин для
ИИС энергетических объектов различных отраслей народного хозяйства.
Входные цепи измерительных преобразователей электрических величин
[Текст]: науч.-тех. отчет (промежуточ.): 42-44 / НГТУ; рук. Цапенко М. П. –
Новосибирск., 1981. – 74 с. – Исполн.: Мошкин Ю.П., Пасынков Ю.А.,
Соболева И.А.
45. Что такое LabVIEW? National Instruments. [Электронный ресурс]. URL:
www.ni.com/en-us/shop/labview.html (дата обращения 23.11.2017).
46. Электростатическая защита USB устройств. Мир периферийных устройств
ПК.Техническийжурналдляспециалистовсервисныхслужб.
[Электронныйресурс].http://www.mirpu.ru/interface/86-usb/179-xaschita-
usb.html (дата обращения 29.05.2016г.)
47. 3-phase transformer magnetization current test, Warsaw university of technology,
institute of electrical machines, electrical machines in the power engineering and
automatic, 2008.
48. Bachinger B., Hackl A., Leikermoser A. Direct current in transformers: effects
and compensation. CIGRE, 2012.
49. Brown D. The application of current comparators in instrumentation for loss
measurements. Technical paper. SYMETRO,1996.
50. Calmet. Power calibrators and power quality calibrators [Digital source]. URL:
www.calmet.com.pl/eng/pages/detail.php?product=pwr (date 23.11.2017).
51. CEPIŞCĂ C., GRIGORESCU S.D., GANATSIOS S., BARDIS N.G.. Passive
and active compensations for current transformers. METROLOGIE 4/2008.
52. Current ratio device for use in forming a current transformer. US patent 5896027
A, Apr. 20, 1999.
53. Daut I., Hasan S., Taib S. Magnetizing Current, Harmonic Content and Power
Factor as the Indicators of Transformer Core Saturation. Journal of Clean Energy
Technologies, Vol. 1, No. 4, October 2013.
54. Drafts B., methods of current measurements. Pacific Sceientific-OECO, apr.
2004.
55. Dusza D., Rzepecki. B. Magnetizing current effect minimization in current
transformers. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów
Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, N. 69, 2013.
56. Fluke. Calibration. 6105A, 6100B Electrical Power Quality Calibrator [Digital
source].URL:us.flukecal.com/products/electrical-calibration/electrical-
calibrators/6105a-6100b-electrical-power-quality-calibrat (date 23.11.2017).
57. Hartmann M., Biela J., Ertl H., Kolar J.W. Wideband Current Transducer for
Measuring AC Signals With Limited DC Offset. IEEE TRANSACTIONS ON
POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 7, JULY 2009.
58. Kasztenny B., Mazereeuw J., Jones K. CT Saturation in Industrial Applications –
Analysis and Application Guidelines. Developments in Power System Protection,
2008. DPSP 2008. IET 9th International Conference on. March, 2008.
59. Khan T.H., Kabir S.M.L., Hussain S., Wahid K. Design and implementation of a
low cost electricity meter testing bench. IEEE Symposium on Industrial
Electronics and Applications (ISIEA 2010), Penang, Malaysia,October 3-5, 2010.
60. Li Y., Gao Y., Li. L. Effects of DC Magnetic Bias on the Magnetic and Sound
Fields of Transformer. Energy and power engineering, 5, 2013.
61. Marketos P., Moses A. J., Hall J. P. Effect of DC voltage on AC magnetization of
transformer core steel. Journal of electrical engineering, vol. 61. no 7/s, 2010.
62. Meantest. Equipment for accurate measurements and calibrations. Calibrators of
power/energyCalibro133C/133Ci[Digitalsource].URL:
www.meatest.ru/kalibratory-moshchnosti-energii/calibro-133c-133ci(date
23.11.2017)
63. MOC306X-M and MOC316X-M, 6-pin DIP zero-cross phototriac driver
optocoupler(600Vpeak),datasheet.[Digitalsource]URL:
http://mkpochtoi.narod.ru/MOC3061_MOC3062_MOC3063_zerocross_ds.pdf
(date 01.10.2017г.), 2005.
64. Model 936A Reference Current Transformer, 2010: [Digital source]. URL:
http://www.arbiter.com/catalog/product/model-936a-reference-current-
transformer.php (date 10.06.2016).
65. Naumovic-Vukovic D., Skundric S., Kovacevic D. Calibration of high accuracy
class standard current transformers. XIX IMECO World Congress. Fundamental
and applied Metrology. Lisbon, Portugal, September 6-11, 2009 –P. 621-625.
66. Nogueira Antônio Flavio Licarião, Facchinello Gabriel Grunitzki, Ramos
Leonardo Adriano. Prediction of magnetizing current in power transformers using
numerically simulated open-circuit tests. IJRRAS 17 (2), November 2013.
67. Orlhac M. Current transformers for High-voltage protection. Cahier Technique
Merlin Gerin n°164. March, 1995.
68. Ramboz J.D., Petersons. O. A calibration service for current transformers. NIST
special publication 250-36. 1991.
69. Ramboz. J.D. A highly accurate, hand-held clamp-on current transformer. IEEE
Transactions on instrumentation and measurement, vol. 45, no.2, April 1996.
70. Suoders T.M. Wide-band two-stage current transformers of high accuracy. IEEE
Trans. Instrum. Meas. IM-21. No. 4. Nov. 1972.
71. Tettex 4761 standard current transformer 1000A, 2012: [Digital source]. URL:
http://www.haefely-hipotronics.com/document/4761-standard-current-
transformer-1000a/ (date 15.05.2016).
72. Tong G., Xu X. A wide-band active current transformer and shunt.
Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on (Volume:40 , Issue:
6). Dec. 1991.
73. USBLC6-4: Very low capacitance ESD protection, datasheet (Rev 7), 2015.
[Digitalsource].
http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/9a/e6/1c/4f
/b6/9a/44/e6/CD00047494.pdf/files/CD00047494.pdf/jcr:content/translations/en.
CD00047494.pdf (date 29.05.2016).
74. Yarborough B., Components and methods for current measurements. Power
electronics technology, 2012.