Valutazione dell'incertezza per la misura del trasformatore elettronico di rete IEE-Business

1. Introduzione

I trasformatori elettronici di tensione della rete, come componenti di misura indispensabili nei sistemi elettrici, hanno la loro precisione di misura direttamente legata all'operazione stabile e alla gestione efficiente dei sistemi elettrici. Tuttavia, nella pratica, a causa delle caratteristiche intrinseche dei componenti elettronici, dei fattori ambientali e delle limitazioni dei metodi di misura, i risultati di misura dei trasformatori di tensione spesso coinvolgono incertezza. Questa incertezza non solo impatta l'accuratezza dei dati di potenza, ma anche induce in errore le strategie di smistamento, controllo e protezione dei sistemi elettrici. Pertanto, una ricerca approfondita sui metodi di valutazione dell'incertezza per la verifica e i risultati di misura dei trasformatori elettronici di tensione della rete è cruciale per migliorare la precisione di misura dei sistemi elettrici.

Questo studio mira ad analizzare sistematicamente i fattori che influenzano l'incertezza di misura dei trasformatori di tensione, inclusi il drift termico, l'invecchiamento e l'interferenza del rumore dei componenti elettronici, nonché le variazioni di temperatura, umidità e campi elettromagnetici nell'ambiente di misura. Attraverso ciò, si esploreranno metodi di valutazione dell'incertezza scientifici e ragionevoli. Costruendo modelli matematici combinati con principi statistici e conoscenze metrologiche, questa ricerca valuterà in modo completo l'incertezza di misura dei trasformatori elettronici di tensione della rete in diverse condizioni operative, fornendo una base teorica e un supporto tecnico per formulare regolamenti di verifica più precisi e migliorare la qualità del prodotto dei trasformatori di tensione.

2. Sperimentazione per la Valutazione dell'Incertezza dei Risultati di Misura
2.1 Oggetto sperimentale

Per la valutazione dell'incertezza dei trasformatori elettronici di tensione della rete, viene selezionato un dispositivo di taratura di tensione di precisione con un livello di accuratezza di 0,001, coprendo un intervallo di misura da 1 a 1000 V. Il trasformatore di tensione da verificare è progettato per scenari con una tensione primaria da 10 kV a 50 kV e una tensione secondaria di 100 V, con un livello di accuratezza di 0,02. La struttura del trasformatore elettronico di tensione della rete è mostrata nella Figura 1.

L'ambiente sperimentale è impostato su una temperatura costante di 20 ± 2 °C, con l'umidità relativa mantenuta al di sotto del 60%, eliminando gli eventuali impatti ambientali sui risultati di misura.

2.2 Metodo di Verifica e Misura per i Trasformatori Elettronici di Tensione della Rete

Durante la verifica dei trasformatori elettronici di tensione della rete, è necessario un metodo scientifico di valutazione dell'incertezza per garantire l'accuratezza della misura. Utilizzando il trasformatore elettronico di tensione della rete mostrato nella Figura 1 come dispositivo standard, viene adottata una connessione a circuito basata sul confronto. Ciò consente un allineamento senza soluzione di continuità tra il trasformatore elettronico di tensione sottoposto a test e il dispositivo standard, come illustrato nella Figura 2.

Successivamente, un sistema di misura digitale ad alta precisione legge e calcola direttamente l'errore del trasformatore elettronico di tensione sottoposto a test. Il modello del dispositivo standard è DHBV-110/0,02, con un'eccellente accuratezza che sostiene la verifica. Per il trasformatore sottoposto a test, sono impostati punti di tensione nominale del 0,5%, 2%, 10%, 50% e 110% per coprire il suo intervallo operativo. Notabilmente, sebbene i limiti massimi di errore ammissibile per questi punti siano gli stessi nelle condizioni di carico pieno e parziale, il drift termico e l'invecchiamento dei componenti elettronici possono causare differenze significative di stabilità tra le condizioni. Pertanto, deve essere valutata indipendentemente la stabilità di ciascun punto per controllare l'incertezza dei risultati di verifica, soddisfacendo le rigorose esigenze di alta precisione della tecnologia di misura per l'operazione della rete elettrica.

3. Modello Matematico

Nell'esperimento per la valutazione dell'incertezza dei risultati di verifica e misura dei trasformatori elettronici di tensione della rete, quando si verifica l'accuratezza del dispositivo sottoposto a test, la sua incertezza viene spesso quantificata attraverso molteplici dimensioni, come la deviazione di accuratezza e lo sfasamento. Questi due indicatori riflettono rispettivamente la differenza d'ampiezza e lo scostamento di fase tra il valore misurato e il valore vero. Pertanto, possono essere costruiti modelli matematici indipendenti per descrivere in modo accurato queste fonti di incertezza. Per la deviazione di accuratezza Y, può essere utilizzato un modello di regressione lineare, espresso come:

Dove β0 e β1 sono parametri del modello; X è il segnale di ingresso del trasformatore elettronico di tensione della rete; ε è il termine di errore casuale. Per lo sfasamento φ, può essere espresso da un modello funzionale trigonometrico come

Dove α rappresenta lo sfasamento fisso; θ(X) è una funzione di fase che varia con il segnale di ingresso. Per un'analisi più dettagliata, possono essere introdotti termini non lineari o approssimazioni polinomiali per migliorare l'accuratezza del modello. L'istituzione di questi modelli matematici fornisce una solida base teorica e strumenti quantitativi per valutare in modo completo e sistematico l'incertezza dei risultati di misura.

4. Risultati dell'Esperimento di Valutazione dei Componenti di Incertezza

Nella verifica dei trasformatori elettronici di tensione della rete, vengono impostati diversi livelli di tensione per la valutazione dell'incertezza. I punti di tensione nominale del 0,5%, 2%, 10%, 50% e 110% vengono selezionati e misurati utilizzando il metodo di confronto. I valori medi della differenza di ampiezza e dello scostamento di fase vengono registrati e calcolati come valori di riferimento ai corrispondenti livelli di tensione, al fine di valutare in modo accurato l'incertezza prestazionale del trasformatore sottoposto a test.

4.1 Valutazione dell'Incertezza di Tipo A

L'incertezza di tipo A riflette il grado di dispersione tra i risultati ottenuti durante misurazioni ripetute dello stesso oggetto. La sua formula di calcolo è:

Dove n è il numero di misurazioni; xi è il valore misurato i-esimo; x̄ è la media aritmetica dei valori misurati.

Quindi, per i punti di tensione nominale del 0,5%, 2%, 10%, 50% e 110%, i risultati della valutazione dell'incertezza di tipo A sono mostrati nella Tabella 1.

Come si può vedere dalla Tabella 1, man mano che aumenta il punto di tensione nominale, l'incertezza di tipo A sia della differenza di ampiezza che dello scostamento di fase mostra una tendenza crescente. Ciò avviene perché a livelli di tensione inferiori, il trasformatore di tensione è più stabile, risultando in meno dispersione nei risultati di misura. Tuttavia, a livelli di tensione superiori, il trasformatore di tensione è influenzato da più fattori, portando così a una maggiore dispersione nei risultati di misura.

4.2 Valutazione dell'Incertezza di Tipo B

Secondo la JJF 1059.1—2022 Valutazione e Espressione dell'Incertezza di Misura, l'incertezza di tipo B deriva dall'inferenza ragionevole di informazioni note rilevanti per stimarne la deviazione standard. Queste informazioni possono includere specifiche degli apparecchi dai produttori, dati di metodi di taratura riconosciuti dall'industria o analisi statistica di dati di misura storici. Il nucleo dell'incertezza di tipo B è definire l'intervallo di variazione possibile del valore misurato sulla base dell'esperienza o della conoscenza professionale, con la sua semilarghezza pari a metà dell'ampiezza dell'intervallo.

Successivamente, si seleziona un fattore di copertura appropriato k per la quantificazione in base alle caratteristiche della distribuzione di probabilità e al livello di fiducia richiesto. In genere, se i valori misurati sono distribuiti uniformemente nell'intervallo predefinito (ogni valore ha la stessa probabilità), viene utilizzato il modello di distribuzione uniforme, e k può essere preso come un'approssimazione di √3 per assicurare l'accuratezza e la rigore della valutazione. La formula di calcolo per l'incertezza di tipo B è

Dove a è la semilarghezza dell'intervallo di variazione della misura.

Per i punti di tensione nominale del 0,5%, 2%, 10%, 50% e 110%, i risultati della valutazione dell'incertezza di tipo B sono mostrati nella Tabella 2.

Come si può vedere dalla Tabella 2, a diversi punti di tensione nominale, sia per la differenza di ampiezza che per lo scostamento di fase, l'incertezza mostra una tendenza crescente con l'aumento del livello di tensione. In confronto all'incertezza di tipo A, la valutazione dell'incertezza di tipo B dipende maggiormente dall'accuratezza e completezza delle informazioni note, riflettendo una stima a priori delle prestazioni del trasformatore di tensione in misura. Pertanto, nelle applicazioni pratiche, considerare in modo complessivo l'incertezza di tipo A e di tipo B permette di avere una comprensione più completa dell'accuratezza e affidabilità dei risultati di misura.

4.3 Valutazione dell'Incertezza Combinata Standard

Quando si valuta l'incertezza combinata standard, se i risultati di verifica e misura di ciascun trasformatore elettronico di tensione della rete sono indipendenti e non correlati (cioè, i loro coefficienti di correlazione sono tutti 0), le incertezze seguono il principio di combinazione lineare per l'accumulo. Basandosi su questo, la valutazione dell'incertezza combinata standard può essere espressa dalla seguente formula

Quindi, per i punti di tensione nominale del 0,5%, 2%, 10%, 50% e 110%, i risultati della valutazione dell'incertezza combinata standard sono mostrati nella Figura 3.

Dai risultati della Figura 3, man mano che la tensione nominale aumenta dal 0,5% al 110%, l'incertezza combinata standard sia della differenza di ampiezza che dello scostamento di fase mostra un aumento costante. Specificatamente, l'incertezza della differenza di ampiezza aumenta dal 0,008% al 0,085% (circa 10 volte), e l'incertezza dello scostamento di fase aumenta da 0,05° a 0,35° (circa 7 volte). Questa tendenza suggerisce che un aumento della tensione rende il trasformatore più suscettibile alle interferenze esterne, amplificando l'incertezza di misura. Tuttavia, non si verificano cambiamenti drastici nei dati, indicando che il processo di valutazione è stabile e affidabile.

5. Conclusione

Nella ricerca sui metodi di valutazione dell'incertezza per la verifica e i risultati di misura dei trasformatori elettronici di tensione della rete, vengono analizzati molti fattori che influenzano l'accuratezza della misura, ed esplorati metodi di valutazione scientifici ed efficaci. Attraverso l'analisi teorica e la verifica sperimentale, non solo si migliora l'affidabilità dei risultati di misura dei trasformatori di tensione, ma si fornisce anche una solida garanzia per l'operazione stabile del sistema elettrico.