Rács Elektronikus Feszültségátváltó Mérésének Bizonytalanságának Kiértékelése

1. Bevezetés

A hálózati elektronikus feszültségátalakítók, mint alapvető mérőelemek az energiarendszerekben, mérési pontosságukkal közvetlenül befolyásolják az energiarendszer stabilitásos működését és hatékony kezelését. Azonban a gyakorlatban az elektromos elemek sajátos jellemzői, környezeti tényezők és mérési módszerek korlátai miatt a feszültségátalakítók mérése gyakran bizonytalanságot jelent. Ez a bizonytalanság nem csak a hatékonysági adatok pontosságát érinti, de félrevezeti az energiarendszer ütemezését, irányítását és védelmi stratégiáit is. Így a hálózati elektronikus feszültségátalakítók ellenőrzésének és mérésének eredményeinek bizonytalanságának kiértékelési módszereinek részletes kutatása kulcsfontosságú a mérési pontosság növeléséhez.

Ez a tanulmány célja, hogy rendszeresen elemezze a feszültségátalakítók mérési bizonytalanságát befolyásoló tényezőket, beleértve az elektromos elemek hőmérsékleti súlyozódását, öregedését, zajzavarait, valamint a mérési környezetben bekövetkező hőmérsékleti, páratartalmi és elektromágneses mezőbeli változásokat. Ezen felül tudományosan és megfelelően vizsgálja a bizonytalanság kiértékelési módszereit. Matematikai modellek építése statisztikai elvek és mérnöki ismeretek kombinációjával segíti a hálózati elektronikus feszültségátalakítók mérési bizonytalanságának teljes körű értékelését különböző működési feltételek mellett, így elméleti alapot és technikai támogatást nyújt a pontosabb ellenőrzési szabályzatok meghatározásához és a feszültségátalakítók termékminőségének javításához.

2. Kísérlet a mérési eredmények bizonytalanságának kiértékelésére
2.1 Kísérleti tárgy

A hálózati elektronikus feszültségátalakítók bizonytalanságának kiértékeléséhez 0,001-es pontosságú, 1–1000 V-os mérési tartományt lefedő precíziós feszültségkalibráló eszköz kerül kiválasztásra. Az ellenőrizendő feszültségátalakító 10 kV–50 kV elsődleges feszültséghez, 100 V másodlagos feszültséghez, 0,02-es pontossági osztályhoz van tervezve. A hálózati elektronikus feszültségátalakító szerkezete ábrázolva van az 1. ábrán.

A kísérleti környezet állandó 20 ± 2 °C hőmérsékletre van beállítva, a relatív páratartalom 60%-nál alacsonyabb, hogy a környezeti hatásokat minimalizálja a mérési eredményeken.

2.2 Hálózati elektronikus feszültségátalakítók ellenőrzési és mérési módszere

A hálózati elektronikus feszültségátalakítók ellenőrzése során tudományos bizonytalanság-kiértékelési módszer szükséges a mérési pontosság biztosításához. Az 1. ábrán látható hálózati elektronikus feszültségátalakítót standard eszközként használva, összehasonlítási alapú áramkörkapcsolatot alkalmaznak. Ez lehetővé teszi a tesztelt elektronikus feszültségátalakító és a standard eszköz zökkenőmentes összekapcsolását, amelyet a 2. ábra illusztrál.

Ezután egy nagy pontosságú digitális mérőrendszer közvetlenül olvassa és számolja a tesztelés alatt álló elektronikus feszültségátalakító hibáját. A standard eszköz modellje DHBV-110/0,02, mely kiváló pontossággal alátámasztja az ellenőrzést. A tesztelés alatt álló átalakító esetében 0,5%, 2%, 10%, 50% és 110% nominális feszültség pontokat állítanak be, hogy lefedjék a működési tartományt. Megjegyzendő, hogy bár ezek a pontok ugyanazok a maximálisan engedélyezett hibahatárok vonatkoznak teljes- és könnyterhelés esetén is, az elektromos elemek hőmérsékleti súlyozódása és öregedése jelentősen eltérő stabilizációt okozhat különböző feltételek mellett. Tehát minden pont stabilitását külön kell kiértékelni, hogy ellenőrizze a bizonytalanságot, és eleget tegyen az energia-hálózat működésének szigorú pontossági követelményeinek.

3. Matematikai modell

A hálózati elektronikus feszültségátalakítók ellenőrzési és mérési eredményeinek bizonytalanságának kiértékelési kísérletében, amikor a tesztelt eszköz pontosságát ellenőrzik, annak bizonytalanságát gyakran több dimenzióban kvantifikálják, például a pontossági eltérésben és a fázishátrásban. Ezek a két mutató a mérési és a valós érték amplitúdó- és fáziselehetetlenségeit tükrözik. Így független matematikai modelleket lehet felállítani, hogy pontosan leírják ezen bizonytalanság forrásait. A pontossági eltérés Y esetében lineáris regressziós modellt lehet használni, amely a következőképpen fejezhető ki:

Ahol β0 és β1 a modell paraméterei; X a hálózati elektronikus feszültségátalakító bemeneti jelét jelenti; ε a véletlenszerű hiba tagot. A fázishátrás φ esetében trigonometrikus függvény modellt alkalmazhatunk, ami a következőképpen fejezhető ki:

Ahol α a fix fáziselmozdulást jelenti; θ(X) a bemeneti jelhez változó fázisfüggvény. Részletesebb elemzés érdekében nemlineáris tagokat vagy polinomiális közelítéseket vezethetünk be a modell pontosságának javítására. Ezek a matematikai modellek erős elméleti alapot és kvantitatív eszközöket nyújtanak a mérési eredmények bizonytalanságának teljes és rendszeres kiértékeléséhez.

4. A bizonytalansági összetevő kiértékelési kísérlet eredményei

A hálózati elektronikus feszültségátalakítók ellenőrzése során több feszültségszintet állítanak be a bizonytalanság kiértékeléséhez. A 0,5%, 2%, 10%, 50% és 110% nominális feszültség pontokat használják és mérnek összehasonlítási módszerrel. Az amplitúdó- és fáziseltérések átlagértékeit rögzítik és kiszámítják a megfelelő feszültség szintek referenciájaként, hogy pontosan kiértékeljék a tesztelt átalakító teljesítményének bizonytalanságát.

4.1 A típus A bizonytalanság kiértékelése

A típus A bizonytalanság a ugyanazon objektum többszori méréséből származó eredmények szórást tükröz. Számítási képlete:

Ahol n a mérések száma; xi az i-edik mérési érték; x̄ a mérési értékek számtani átlaga.

Ezután a 0,5%, 2%, 10%, 50% és 110% nominális feszültség pontok esetén a típus A bizonytalanság kiértékelési eredményei a 1. táblázatban láthatók.

A 1. táblázatból látható, hogy ahogy a nominális feszültség pont növekszik, a típus A bizonytalanság mind az amplitúdó-eltérés, mind a fáziseltérés esetén növekvő tendenciát mutat. Ez azért van, mert alacsonyabb feszültség szinteken a feszültségátalakító stabilabb, ami kevesebb szórásra adható a mérési eredményekben. Viszont magasabb feszültség szinteken a feszültségátalakító több tényezőtől kapcsolódó hatások alatt áll, ami nagyobb szórásra vezet a mérési eredményekben.

4.2 A típus B bizonytalanság kiértékelése

A JJF 1059.1—2022 Mérési bizonytalanság kiértékelése és kifejezése alapján a típus B bizonytalanság ismert releváns információkból származó ésszerű következtetések alapján jut a standard eltérés becsléséhez. Ez az információ gyártói specifikációkat, iparág által elfogadott kalibrálási módszerek adatait, vagy múltbeli mérési adatok statisztikai elemzését is magában foglalhatja. A típus B bizonytalanság lényege, hogy tapasztalat vagy szakmai ismeretek alapján meghatározza a mérési érték lehetséges variációs tartományát, ahol a fél-szélesség a tartomány szélességének fele.

Ezután megfelelő lefedési tényezőt (k) választanak a valószínűségi eloszlás jellemzői és a kívánt bizonyossági szint alapján. Általában, ha a mérési értékek egyenletesen oszlanak el a előre meghatározott intervallumban (minden érték egyenlő esélyt élvez), akkor egyenletes eloszlás modellt használnak, és k közelítőleg √3 lehet, hogy biztosítsák a kiértékelés pontosságát és szigorúságát. A típus B bizonytalanság számítási képlete:

Ahol a a mérési variációs intervallum fél-szélessége.

A 0,5%, 2%, 10%, 50% és 110% nominális feszültség pontok esetén a típus B bizonytalanság kiértékelési eredményei a 2. táblázatban láthatók.

A 2. táblázatból látható, hogy különböző nominális feszültség pontoknál, akár amplitúdó-eltérés, akár fáziseltérés esetén, a bizonytalanság növekvő tendenciát mutat, ahogy a feszültség szint növekszik. A típus A bizonytalansághoz képest a típus B bizonytalanság kiértékelése továbbra is inkább az ismert információk pontosságától és teljességétől függ, ami a mérés alatt álló feszültségátalakító teljesítményének előzetes becslését jelenti. Így a gyakorlatban a típus A és típus B bizonytalanságok együttes figyelembevétele lehetővé teszi a mérési eredmények pontosságának és megbízhatóságának teljes körű megértését.

4.3 A kombinált szabványos bizonytalanság kiértékelése

A kombinált szabványos bizonytalanság kiértékelésekor, ha minden hálózati elektronikus feszültségátalakító ellenőrzési és mérési eredménye független és korrelálatlan (azaz a korrelációs együtthatóik nullák), a bizonytalanságok lineáris kombináció elvét követve adódnak. Ennek alapján a kombinált szabványos bizonytalanság kiértékelését a következő képlet adja meg:

Ezután a 0,5%, 2%, 10%, 50% és 110% nominális feszültség pontok esetén a kombinált szabványos bizonytalanság kiértékelési eredményei a 3. ábrán láthatók.

A 3. ábra eredményeiből látható, hogy ahogy a nominális feszültség 0,5% -ról 110%-ig nő, a kombinált szabványos bizonytalanságok, mind az amplitúdó-eltérés, mind a fáziseltérés esetén, állandó növekedést mutatnak. Konkrétan, az amplitúdó-eltérés bizonytalansága 0,008%-ról 0,085%-ra (kb. 10-szeres) nő, míg a fáziseltérés bizonytalansága 0,05°-ról 0,35°-ra (kb. 7-szeres). Ez a trend azt jelenti, hogy a magasabb feszültség növeli a transzformátor érzékenységét a külső zavarokra, ami a mérési bizonytalanság növekedését eredményezi. Ugyanakkor drámai adatváltozások nem fordulnak elő, ami arra utal, hogy a kiértékelési folyamat stabil és megbízható.

5. Következtetés

A hálózati elektronikus feszültségátalakítók ellenőrzési és mérési eredményeinek bizonytalanságának kiértékelési módszereiről szóló kutatás során számos olyan tényezőt elemeztünk, amelyek befolyásolják a mérési pontosságot, és tudományosan és hatékonyan kiértékelő módszereket fedeztünk fel. Elméleti elemzések és kísérleti ellenőrzések révén nem csak a feszültségátalakítók mérési eredményeinek megbízhatóságát javítottuk, de szilárd garanciát is nyújtottunk az energiarendszer stabilitásos működéséért.