Измерение гармоник

5 Измерение гармоник

5.1 Измерительные входы тока

Входная цепь тока должна быть пригодной для измерения анализируемых токов. Она должна обеспечивать непосредственное измерение гармоник тока и, кроме того, должна иметь низковольтный вход напряжения с высоким полным сопротивлением для подключения внешних шунтов, представляющих собой активные сопротивления, или комбинации трансформаторов тока с шунтами. Область значений чувствительности входной цепи тока может быть от 0,1 до 10 В. Предпочтительным значением является 0,1 В при соответствии требованиям, указанным в 5.3.

При непосредственном измерении тока желательно (но не обязательно) обеспечить следующие диапазоны номинальных среднеквадратических значений измеряемого тока : 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100 А.

Для СИ класса II потребляемая мощность входной цепи не должна превышать 3 Вт.

Для СИ класса I падение напряжения во входной цепи тока не должно превышать 0,15 В (среднеквадратическое значение).

Входная цепь тока должна продолжительное время выдерживать ток, равный . Воздействие тока в течение 1 с не должно приводить к каким-либо повреждениям.

СИ должны иметь возможность измерять входные сигналы с отношением амплитудного значения к среднеквадратическому (коэффициентом амплитуды), равным 4 в области значений измеряемого тока до 5 А (среднеквадратическое значение), с коэффициентом амплитуды 3,5 при измеряемом токе 10 А (среднеквадратическое значение) и с коэффициентом амплитуды 2,5 при измеряемом токе более 10 А (среднеквадратическое значение).

СИ должны иметь индикацию перегрузки.

Требования к погрешности измерений установлены в таблице 1.

Таблица 1 - Требования к точности измерений тока, напряжения и мощности

В части других требований к СИ см. раздел 8.

Примечание - В результате искажений измеряемого тока часто возникают составляющие постоянного тока. Наличие составляющих постоянного тока может вызвать значительные погрешности входных трансформаторов тока. Изготовитель СИ должен указать в технической документации на СИ максимально допустимое значение составляющей постоянного тока, не приводящее к дополнительной погрешности результатов измерений.

5.2 Измерительные входы напряжения

Входная цепь напряжения должна быть пригодной для измерений при максимальном значении напряжения и частоты в анализируемой системе электроснабжения и сохранять свои характеристики и обеспечивать установленную погрешность измерений при напряжении, превышающем в 1,2 раза максимальное напряжение.

СИ должны иметь возможность измерять входные сигналы с коэффициентом амплитуды не менее 1,5 за исключением измерений сильно искаженных напряжений в промышленных электрических сетях, для которых коэффициент амплитуды должен быть не менее 2.

СИ должны иметь индикацию перегрузки.

Воздействие на СИ в течение 1 с напряжения, в четыре раза превышающего измеряемое напряжение, или 1 кВ, с зависимости от того, какое значение меньше, не должно приводить к каким-либо повреждениям.

Номинальное напряжение электрических сетей в зависимости от местных условий может быть от 60 до 690 В. Для обеспечения универсальности применения СИ для большинства систем электроснабжения целесообразно предусмотреть в конструкции входного устройства следующие диапазоны номинальных среднеквадратических значений измеряемого напряжения:

U_nom: 66; 115; 220; 230; 400; 690 В для систем электроснабжения частотой 50 Гц;

U_nom: 69; 120; 240; 277; 347; 480; 600 В для систем электроснабжения частотой 60 Гц.

При использовании внешних трансформаторов напряжения целесообразно применять следующие дополнительные номинальные напряжения: 100; 100 / √3; 110/√3 В.

При использовании внешних преобразователей целесообразно применять входы с повышенной чувствительностью: 0,1; 1; 10 В. Входные цепи должны быть способны воспринимать входные сигналы с коэффициентом амплитуды не менее 2.

Потребляемая мощность входной цепи не должна превышать 0,5 Вт при напряжении 220 В. При наличии входов повышенной чувствительности (менее 50 В) входное сопротивление должно быть не менее 10 кОм/В.

Напряжение основной частоты (частоты системы электроснабжения), значительное по сравнению с другими составляющими напряжения, не должно вызывать перегрузки, приводящие к искажениям или интермодуляции сигналов во входных цепях СИ. Возникающие при этом дополнительные погрешности не должны нарушать установленную погрешность результатов измерений.

СИ должны иметь индикацию перегрузок.

5.3 Требования к точности измерений

Для СИ, предназначенных для измерения гармонических составляющих тока и напряжения, установлены два класса точности. Значения максимальной допустимой погрешности, приведенные в таблице 1, относятся к одночастотным установившимся сигналам в рабочей полосе частот, измеряемым СИ при установленных рабочих условиях (в части областей изменений температуры, влажности и напряжения питания СИ), которые должны быть установлены изготовителем СИ.

Примечание - При испытаниях ТС в соответствии с ГОСТ Р 51317.3.2 допустимые значения погрешности должны быть установлены относительно применяемых норм (5% применяемых норм) или номинального тока ТС I_r(0,15% от I_r ) в зависимости от того, что больше. Эти требования должны быть учтены при выборе диапазона изменений входного тока СИ.

Частоты, находящиеся вне полосы частот измерений СИ, должны быть ослаблены так, чтобы не оказывать влияния на результаты измерений. Для получения необходимого ослабления частота отсчетов входного сигнала может быть много больше, чем полоса частот измерений. Например, анализируемый сигнал может иметь составляющие на частотах, превышающих 25 кГц, но учитываются лишь составляющие на частотах до 2 кГц. Необходимо применять низкочастотный фильтр, исключающий паразитное наложение спектров, с частотой среза по уровню 3 дБ превышающей полосу частот, в которой проводят измерения. Ослабление вне полосы пропускания должно превышать 50 дБ.

Примечание - Например, фильтр Баттерворта пятого порядка обеспечивает ослабление на 50 дБ на частотах, в три раза превышающих частоту среза на уровне 3 дБ.

Если необходимо проводить измерения гармоник свыше 15-го порядка при номинальном токе более 5 А и минимальной неопределенности измерений, целесообразно использовать внешний шунт или датчик тока, согласованные так, чтобы обеспечить прохождение номинального тока испытуемого ТС.

Для СИ, предназначенных только для измерения гармоник, требования к точности применяют только в отношении измерения гармонических составляющих.

Для достижения точности, установленной в таблице 1, целесообразно предусматривать в конструкции СИ возможность простой подстройки с четкой индикацией. Для этого может быть применен внутренний или внешний калибратор. Неопределенность значений внутреннего калибратора должна быть указана. Погрешности, вызванные наиболее важными влияющими факторами (температура, напряжение электропитания СИ и т.д.), должны быть установлены изготовителем как для СИ, так и для внутреннего калибратора (при наличии).

5.4 Схема измерений и напряжение электропитания

5.4.1 Схемы измерений для оценки эмиссии

Схемы измерений приведены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 - Схема измерений эмиссии в однофазных системах
U_s — напряжение "фаза-нейтраль" источника электропитания; U — напряжение на зажимах ИТС; Z_L, Z_N — полные сопротивления проводов и входной цепи измерения тока; ΔU — падение напряжения на сопротивлениях Z_LZ_N(ΔU=ΔU_L+ΔU_N); L — фазный провод;N — нейтральный провод; ИТС — испытуемое техническое средство

Рисунок 3 - Схема измерений эмиссии в трехфазных системах
U_s — напряжение "фаза-нейтраль" источника электропитания; U — напряжение на зажимах ИТС; Z_L, Z_N — полные сопротивления проводов и входной цепи измерения тока; ΔU — падение напряжения на сопротивлениях Z_LZ_N(ΔU=ΔU_L+ΔU_N); L₁, L₂, L₃ — фазные провода; N — нейтральный провод; ИТС — испытуемое техническое средство

5.4.2 Напряжение электропитания для измерений эмиссии

5.4.2.1 Общие положения

При измерениях с целью оценки гармоник потребляемого тока до 40-й гармоники частоты сети испытательное напряжение U на зажимах ИТС должно соответствовать установленным ниже требованиям.

5.4.2.2 Требования для ТС с потребляемым током не более 16 А в одной фазе

При испытаниях ТС с потребляемым током не более 16 А в одной фазе должно быть обеспечено соответствие следующим требованиям:

a) при проведении испытаний ТС отклонения испытательного напряжения от установленного значения не должны превышать ±2%, отклонения частоты питания от номинального значения - ±0,5%. Если испытуемое ТС функционирует в определенном диапазоне изменений напряжения электропитания, испытательное напряжение должно соответствовать номинальному напряжению системы электроснабжения, для подключения к которой предназначено ТС (например, фазному напряжению 220 В, соответствующему межфазному напряжению 380 В).

Для облегчения измерений в трехфазных трехпроводных сетях при отсутствии нейтрального проводника допускается применение искусственной нейтральной точки с использованием трех резисторов, сопротивления которых установлены с погрешностью 1%. Цель применения искусственной нейтральной точки - обеспечение проведения измерений напряжения и мощности в одной фазе как при конфигурации "фаза-нейтраль", так и при конфигурации "фаза-фаза". Погрешность измерения тока ИТС в результате влияния нагрузки входных цепей напряжения СИ и любых установленных цепей искусственной нейтральной точки не должны превышать 0,05%.

Примечание - Во многих случаях в использовании искусственной нейтрали нет необходимости, но при ее применении следует учитывать ряд рекомендаций. Искусственная нейтральная точка может быть создана тремя входными полными сопротивлениями вольтметров СИ. В качестве альтернативы искусственная нейтраль может включать в себя полные сопротивления существующих цепей плюс входные полные сопротивления вольтметров СИ. Возможно также, что цепь искусственной нейтрали (при наличии) и входные сопротивления вольтметров могут быть соединены так, чтобы не вносить погрешности при измерении тока (т.к. нагрузка присутствует на стороне источника напряжения преобразователя тока). Во многих других случаях погрешности, вызванные нагрузочным эффектом цепи искусственной нейтрали и входными полными сопротивлениями вольтметров СИ, могут быть скомпенсированы регулирующими петлями обратной связи в источнике, вводимыми так, чтобы погрешности измерений, которые в иных случаях могли бы возникнуть, фактически отсутствовали. Удовлетворительные результаты, приводящие к тому, что установленная неопределенность измерений не превышается, могут дать многие другие конфигурации;

b) в случае трехфазной системы электроснабжения три межфазных напряжения основной частоты должны иметь углы фазового сдвига 0°; 120°±1,5°; 240°±1,5°;

с) гармоники испытательного напряжения U при подключении и нормальном функционировании ИТС не должны превышать:

d) пиковое значение испытательного напряжения ΔUдолжно составлять от 1,404 до 1,424 среднеквадратического значения и находиться в пределах угла фазового сдвига 87°-93° от момента прохождения напряжения через нуль;

e) амплитудное значение падения напряжения на полном сопротивлении проводов схемы измерения и входной цепи измерения тока не должно превышать 0,5 В.

5.4.2.3 Требования для ТС с потребляемым током более 16 А, но не более 75 А в одной фазе

При испытаниях ТС с потребляемым током более 16 А, но не более 75 А в одной фазе должно быть обеспечено соответствие следующим требованиям:

a) испытательное напряжение должно соответствовать номинальному напряжению ТС. Если испытуемое ТС функционирует в определенном диапазоне изменений напряжения электропитания, выходное напряжение должно быть номинальным напряжением системы электроснабжения (например, 120 В, 220 В или 230 В для однофазных систем, 380 В, 400 В для трехфазных систем). Для облегчения измерений в трехфазных трехпроводных сетях при отсутствии нейтрального проводника допускается применение искусственной нейтральной точки с использованием трех резисторов, сопротивления которых установлены с погрешностью 1%. Цель применения искусственной нейтральной точки - обеспечение проведения измерений напряжения и мощности в одной фазе как при конфигурации "фаза-нейтраль", так и при конфигурации "фаза-фаза". Погрешность измерения тока ИТС в результате влияния нагрузки входных цепей напряжения СИ и любых установленных цепей искусственной нейтральной точки не должна превышать 0,05%;

b) отклонения испытательного напряжения от установленного значения не должны превышать ±2%, отклонения частоты питания от номинального значения - ±0,5%;

c) в случае трехфазной системы электроснабжения несимметрия напряжений должна быть меньше 50% уровня электромагнитной совместимости по несимметрии, установленного в [2] (см. также [3]);

d) гармонические составляющие испытательного напряжения U в режиме холостого хода (без подключения ИТС) не должны превышать:

e) для применения требований, установленных в ГОСТ Р 51317.3.12, таблицы 2 и 3, полное сопротивление источника электропитания должно быть таким, чтобы отношение короткого замыкания R_sce (см. определение в ГОСТ Р 51317.3.12) было равно или превышало минимальное значение R_sce (R_sce min), обеспечивающее соответствие ТС нормам гармонических составляющих тока, при возможном введении реакторов. Для применения требований, установленных в ГОСТ Р 51317.3.12, таблица 4, полное сопротивление источника электропитания должно быть таким, чтобы значение R_sce не менее чем в 1,6 раза превышало минимальное значение R_sce, обеспечивающее соответствие ТС нормам гармонических составляющих тока, при возможном введении реакторов.

Примечание - Коэффициент 1,6 введен в связи с тем, что для ТС, подключенного к системе электроснабжения, значение R_sce которой превышает значение R_scemin, уровень эмиссии гармонических составляющих тока возрастает, что было учтено при установлении норм в ГОСТ Р 51317.3.12, таблицы 2 и 3;

f) полное сопротивление источника электропитания должно учитывать полные сопротивления проводов схемы измерения и входной цепи измерения тока.

Примечание - Выбор указанных требований к полному сопротивлению и допустимым искажениям напряжения источника электропитания представляет собой компромисс, учитывающий, что высококачественные источники электропитания с высокой нагрузкой по току редки. Воспроизводимость результатов испытаний при использовании различных источников электропитания, соответствующих указанным требованиям к допустимым искажениям напряжения и полному сопротивлению, может быть недостаточной. Повторяемость результатов при использовании одного и того же источника электропитания является удовлетворительной. Если возможно, следует использовать источники электропитания с более низкими искажениями напряжения и внутренним полным сопротивлением.

5.4.3 Мощность ТС

Мощность ТС, при необходимости, измеряют с учетом значений напряжения на зажимах (см. рисунок 2 или 3) и тока, потребляемого ИТС. Если используют источник электропитания, включающий в себя измеритель тока, мощность ТС измеряют с учетом значений напряжения на зажимах источника и тока, потребляемого ИТС.

5.5 Оценка эмиссии гармоник

Ниже установлены требования к устройствам постпроцессорной обработки в СИ (см. рисунок 1).

5.5.1 Группирование и сглаживание

Для оценки гармоник результаты дискретного преобразования Фурье (см. "Выход 1" на рисунке 1) должны быть, во-первых, сгруппированы так, чтобы получить сумму квадратов значений промежуточных спектральных составляющих между двумя смежными гармониками в соответствии с формулой (8) и рисунком 4. При группировании используют только промежуточные спектральные составляющие, расположенные выше гармоники второго порядка. Результатом группирования являются гармонические группы Y_g,h порядка h, соответствующие центральным составляющим частотных областей, отмеченных заливкой на рисунке 4. Значение Y_g,h рассчитывают по формуле (8). Для систем электроснабжения частотой 50 Гц (N =10) значение Y_g,h равно корню квадратному суммы квадрата значения гармонической составляющей порядка h плюс сумма квадратов значений смежных спектральных составляющих на позициях от n -4 до n +4 , плюс половина квадрата значения составляющей на позиции n -5 , плюс половина квадрата значения составляющей на позиции n +5:

(8)

где Y_C,(N×h)+k — среднеквадратическое значение спектральной составляющей, соответствующей конкретной частотной позиции дискретного преобразования Фурье;

(N×h)+k — номер спектральной составляющей;

Y_g,h — результирующее среднеквадратическое значение гармонической группы.

Рисунок 4 - Схема образования гармонических и интергармонических групп (для систем электроснабжения частотой 50 Гц)

Примечание - Группирование интергармоник показано на рисунке лишь для прояснения определения по 3.4.3 (об оценке интергармонических токов см. приложение А)

Во-вторых, должно проводиться сглаживание среднеквадратических значений Y_h,h каждого гармонического порядка, рассчитанных в соответствии с формулой (8) (см. "Выход 2а" на рисунке 1), с использованием цифрового эквивалента фильтра низких частот первого порядка с постоянной времени 1,5 с, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема реализации цифрового фильтра низких частот

z^-1 — задержка, соответствующая длительности временного интервала измерения; , α, β — коэффициенты фильтра, приведенные в таблице 2

Таблица 2 - Коэффициенты сглаживающего фильтра в зависимости от ширины измерительного окна

Значение гармонической составляющей основной частоты Y_H,1 (при необходимости его вычисления при испытаниях ТС класса С по ГОСТ Р 51317.3.2 и для определения коэффициентов гармонических составляющих по 3.3 настоящего стандарта) должно быть получено с учетом среднеквадратических значений величин Y_H,1 на "Выходе 1" DFT-вычислителя (см. рисунок 1) с применением процедуры сглаживания сигнала, как указано выше.

Если установленные нормы эмиссии помех предусматривают применение коэффициентов гармонических составляющих THD_Y или PWHD_H,Y , рассчитываемых на основе среднеквадратических значений гармонических составляющих Y_H,h, то указанные коэффициенты вычисляют в соответствии с 3.3 по результатам дискретного преобразования Фурье (см. "Выход 1" на рисунке 1).

Если установленные нормы эмиссии помех предусматривают применение коэффициентов гармонических составляющих THDG_Y, THDS_Y, PWHD_g,Y или PWHD_sg,Y, рассчитываемых на основе среднеквадратических значений гармонических групп Y_g,h или гармонических подгрупп Y_sg,h , то указанные коэффициенты вычисляют в соответствии с 3.3 на основе величин, получаемых на "Выходе 2а" (см.рисунок 1).

Если в соответствии установленными нормами эмиссии помех необходимо сглаживание указанных выше коэффициентов гармонических составляющих, то должен быть применен цифровой эквивалент фильтра низких частот первого порядка с постоянной времени 1,5 с, как показано на рисунке 5, со значениями коэффициентов по таблице 2.

Если при испытаниях на соответствие нормам эмиссии необходим расчет мощности P и коэффициента мощности (например, при испытаниях ТС классов С и D по ГОСТ Р 51317.3.2), то выполняют сглаживание значений модуля и коэффициента мощности, как указано выше.

Примечание - Допускается применение внешнего измерителя мощности при измерении на интервале времени ≈200 мс. Значения P, полученные от внешнего измерителя мощности, подают на вход блока сглаживания СИ (см. рисунок 1).

Для обеспечения проведения координированных наблюдений гармонических составляющих (см. ГОСТ Р 51317.4.30) необходимо провести дальнейшее сглаживание измеренных значений, для чего результаты группирования спектральных составляющих в соответствии с формулой (8) объединяют для получения среднеквадратического значения на интервале времени, равном длительности пятнадцати интервалов измерения. Объединенные результаты должны обновляться каждые 200 мс (длительность одного интервала измерения) или каждые 3 с (длительность пятнадцати интервалов измерения).

5.5.2 Соответствие нормам эмиссии

Для оценки соответствия нормам эмиссии проводится статистическая обработка данных в соответствии с требованиями, установленными в соответствующих стандартах, например, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.12, ГОСТ Р 51317.4.30, [4].

5.6 Оценка гармонических подгрупп напряжения

Преобразование Фурье применяют в предположении, что сигнал является стационарным. Однако в системах электроснабжения могут иметь место колебания напряжения, что приводит к передаче части энергии от гармонической составляющей к спектральным составляющим на смежных частотах. Для повышения точности оценки напряжений гармоник в системах электроснабжения выходные составляющие дискретного преобразования Фурье на частотах, отстоящих на 5 Гц, должны быть сгруппированы в соответствии с формулой (9) и рисунком 6:

(9)