Ağ Elektronik Gerilim Dönüşümü Ölçümü için Belirsizlik Değerlendirme

1. Giriş

Kılavuz elektronik gerilim transformatörleri, güç sistemlerinde ölçüm bileşenleri olarak vazgeçilmezdir ve ölçüm doğruluğu, güç sistemlerinin istikrarlı çalışması ve etkin yönetimiyle doğrudan bağlantılıdır. Ancak, uygulamada, elektronik bileşenlerin kendi özelliklerinden, çevresel faktörlerden ve ölçüm yöntemlerinin sınırlamalarından dolayı, gerilim transformatörlerinin ölçüm sonuçları genellikle belirsizliğe sahiptir. Bu belirsizlik, sadece güç verilerinin doğruluğunu etkilemekle kalmaz, aynı zamanda güç sistemlerinin sevk, kontrol ve koruma stratejilerini yanlış yönlendirebilir. Bu nedenle, kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin doğrulama ve ölçüm sonuçlarının belirsizlik değerlendirme yöntemleri üzerinde derinlemesine araştırma, güç sistemlerinin ölçüm doğruluğunu artırmak için kritik öneme sahiptir.

Bu çalışma, gerilim transformatörlerinin ölçüm belirsizliğini etkileyen faktörleri sistematik olarak analiz etmeyi amaçlamaktadır. Bu faktörler arasında elektronik bileşenlerin sıcaklık sapması, yaşlanması ve gürültü interferansı, ayrıca ölçüm ortamındaki sıcaklık, nem ve elektromanyetik alan değişimleri bulunmaktadır. Bu yolla, bilimsel ve makul belirsizlik değerlendirme yöntemleri keşfedilecektir. Matematiksel modellerin, istatistik ilkeleri ve ölçme bilgisi ile birleştirilmesi yoluyla, bu araştırma, farklı çalışma koşullarında kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin ölçüm belirsizliğini kapsamlı bir şekilde değerlendirecek, daha hassas doğrulama düzenlemeleri oluşturmak ve gerilim transformatörlerinin ürün kalitesini artırmak için teorik temel ve teknik destek sağlayacaktır.

2. Ölçüm Sonuçlarının Belirsizliğinin Değerlendirilmesi Deneyi
2.1 Deneysel Nesne

Kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin belirsizliği değerlendirilirken, 0.001 seviyesi doğruluğa sahip hassas gerilim kalibrasyon cihazı seçilmiştir. Bu cihazın ölçüm aralığı 1-1000 V arasındadır. Doğrulanacak gerilim transformatörü, birincil gerilimin 10 kV-50 kV, ikincil gerilimin ise 100 V olması tasarlanmıştır ve doğruluk seviyesi 0.02'dir. Kılavuz elektronik gerilim transformatörünün yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir.

Deneysel çevre, 20 ± 2 °C sabit sıcaklıkta ayarlanmıştır ve göreceli nem %60'nın altında tutulmuştur, böylece ölçüm sonuçlarına potansiyel çevresel etkileri ortadan kaldırılmıştır.

2.2 Kılavuz Elektronik Gerilim Transformatörlerinin Doğrulama ve Ölçüm Yöntemi

Kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin doğrulanmasında, ölçüm doğruluğunu sağlamak için bilimsel bir belirsizlik değerlendirme yöntemi gereklidir. Şekil 1'de gösterilen kılavuz elektronik gerilim transformatörünü standart cihaz olarak kullanarak, karşılaştırma tabanlı devre bağlantısı benimsenmiştir. Bu, test edilen elektronik gerilim transformatörünün standart cihazla sorunsuz bir uyum sağlamasını sağlar, Şekil 2'de gösterildiği gibi.

Sonrasında, yüksek doğruluklu dijital ölçüm sistemi, test edilen elektronik gerilim transformatörünün hatasını doğrudan okuyup hesaplar. Standart cihaz modeli DHBV-110/0.02'dir ve doğrulamanın altına alındığı yüksek doğrulukla desteklenir. Test edilen transformatör için, işlem aralığını kapsayacak şekilde 0.5%, 2%, 10%, 50% ve 110% nominal gerilim noktaları belirlenmiştir. Nota bene, bu noktaların maksimum izin verilen hata limitleri tam ve hafif yük durumlarında aynı olmasına rağmen, elektronik bileşenlerin sıcaklık sapması ve yaşlanması, durumlara göre önemli istikrar farklılıklarına neden olabilir. Bu nedenle, doğrulama sonucunun belirsizliğini kontrol etmek için her noktanın istikrarı bağımsız olarak değerlendirilmelidir, güç ağının operasyonu için yüksek doğruluklu ölçüm teknolojisine olan sıkı taleplere karşılık vermek için.

3. Matematiksel Model

Kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin doğrulama ve ölçüm sonuçlarının belirsizliğinin değerlendirildiği deneyde, test edilen cihazın doğruluğunun doğrulanmasında, belirsizlik genellikle doğruluk sapması ve faz geriliği gibi çok boyutlu parametreler aracılığıyla nicelendirilir. Bu iki gösterge, ölçülen değer ile gerçek değer arasındaki genlik farkını ve faz sapmasını sırasıyla yansıtır. Bu nedenle, belirsizliğin bu kaynaklarını doğru bir şekilde tanımlamak için bağımsız matematiksel modeller oluşturulabilir. Doğruluk sapması Y için, doğrusal regresyon modeli kullanılabilir ve şu şekilde ifade edilebilir:

Burada β₀ ve β₁ model parametreleridir; X, kılavuz elektronik gerilim transformatörünün giriş sinyalidir; ε rastgele hata terimidir. Faz gerilimi φ için, trigonometrik fonksiyon modeli kullanılarak şu şekilde ifade edilebilir:

Burada α sabit faz kaymasıyı, θ(X) ise giriş sinyaliyle değişen bir faz fonksiyonunu temsil eder. Daha ayrıntılı analiz için, doğrusal olmayan terimler veya polinom yaklaşımları modelin doğruluğunu artırmak için dahil edilebilir. Bu matematiksel modellerin kurulması, ölçüm sonuçlarının belirsizliğinin kapsamlı ve sistematik bir şekilde değerlendirilmesi için sağlam bir teorik temel ve nicel araçlar sağlar.

4. Belirsizlik Bileşeni Değerlendirme Deneyi Sonuçları

Kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin doğrulanmasında, belirsizlik değerlendirmesi için birden fazla gerilim seviyesi ayarlanmıştır. 0.5%, 2%, 10%, 50% ve 110% nominal gerilim noktaları seçilerek karşılaştırma yöntemiyle ölçüm yapılmıştır. Genlik farkı ve faz sapmasının ortalama değerleri, ilgili gerilim seviyelerinde referans değer olarak kaydedilip hesaplanarak, test edilen transformatörün performans belirsizliği doğrulukla değerlendirilmiştir.

4.1 A Tipi Belirsizlik Değerlendirmesi

A tipi belirsizlik, aynı nesnenin tekrarlanan ölçümlerinde elde edilen sonuçların dağılım derecesini yansıtır. Hesaplama formülü şöyledir:

Burada n, ölçüm sayısı; x_i, i. ölçüm değeri; x̄, ölçüm değerlerinin aritmetik ortalamasıdır.

0.5%, 2%, 10%, 50% ve 110% nominal gerilim noktaları için A tipi belirsizlik değerlendirme sonuçları Tablo 1'de gösterilmiştir.

Tablo 1'den görülebileceği gibi, nominal gerilim noktası arttıkça, genlik farkı ve faz sapması için A tipi belirsizlik artma eğilimindedir. Bu, düşük gerilim seviyelerinde gerilim transformatörünün daha istikrarlı olduğu ve ölçüm sonuçlarında daha az dağılım olduğundan, ancak yüksek gerilim seviyelerinde gerilim transformatörünün daha fazla faktöre maruz kaldığı ve bu nedenle ölçüm sonuçlarında daha fazla dağılım oluştuğundan kaynaklanmaktadır.

4.2 B Tipi Belirsizlik Değerlendirmesi

JJF 1059.1—2022 Ölçüm Belirsizliğinin Değerlendirilmesi ve İfade Edilmesi kapsamında, B tipi belirsizlik, bilinen ilgili bilgilere dayalı makul çıkarımlarla standart sapmasını tahmin etmekten kaynaklanır. Bu bilgi, üreticilerin ekipman özellikleri, endüstri tarafından kabul edilen kalibrasyon yöntemlerinin verileri veya geçmiş ölçüm verilerinin istatistiksel analizi içerebilir. B tipi belirsizliğin çekirdeği, deneyim veya uzman bilgiye dayalı olarak ölçülen değerlerin olası varyasyon aralığını tanımlamaktır, bu aralığın yarı genişliği aralığın genişliğinin yarısıdır.

Daha sonra, olasılık dağılım özellikleri ve gerekli güven düzeyine göre uygun bir kapsam faktörü k seçilerek nicelleştirilir. Genellikle, ölçüm değerlerinin önceden belirlenmiş aralıkta (her değerin eşit olasılığa sahip olduğu) düzgün dağıldığı varsayıldığında, düzgün dağılım modeli kullanılır ve k yaklaşık olarak √3 olarak alınabilir, bu da değerlendirme doğruluğunu ve titizliğini sağlar. B tipi belirsizlik hesaplama formülü şöyledir:

Burada a, ölçüm varyasyon aralığının yarı genişliğidir.

0.5%, 2%, 10%, 50% ve 110% nominal gerilim noktaları için B tipi belirsizlik değerlendirme sonuçları Tablo 2'de gösterilmiştir.

Tablo 2'den görülebileceği gibi, farklı nominal gerilim noktalarında, genlik farkı veya faz sapması için belirsizlik, gerilim seviyesi yükseldikçe artma eğilimindedir. A tipi belirsizlikle kıyaslandığında, B tipi belirsizliğin değerlendirilmesi, bilinen bilginin doğruluğuna ve eksiksizliğine daha fazla bağlıdır, bu da ölçüm altındaki gerilim transformatörünün performansının önceden bir tahminini yansıtır. Bu nedenle, pratik uygulamalarda, A ve B tipi belirsizliklerin kapsamlı bir şekilde dikkate alınması, ölçüm sonuçlarının doğruluğunu ve güvenilirliğini daha kapsamlı bir şekilde kavramaya yardımcı olur.

4.3 Birleşik Standart Belirsizliğin Değerlendirilmesi

Birleşik standart belirsizliğin değerlendirilmesinde, her bir kılavuz elektronik gerilim transformatörünün doğrulama ve ölçüm sonuçları bağımsız ve ilişkisizse (yani, korelasyon katsayıları tümüyle 0), belirsizlikler doğrusal kombinasyon prensibine göre toplanır. Buna dayanarak, birleşik standart belirsizliğin değerlendirilmesi aşağıdaki formülle ifade edilebilir:

0.5%, 2%, 10%, 50% ve 110% nominal gerilim noktaları için birleşik standart belirsizlik değerlendirme sonuçları Şekil 3'te gösterilmiştir.

Şekil 3'teki sonuçlardan, nominal gerilim 0.5%'den 110%'a yükseldikçe, genlik farkı ve faz sapması için birleşik standart belirsizlikler sürekli artmaktadır. Özellikle, genlik farkı belirsizliği 0.008%'den 0.085%'e (yaklaşık 10 kat) ve faz sapması belirsizliği 0.05°'den 0.35°'e (yaklaşık 7 kat) yükselmiştir. Bu eğilim, daha yüksek gerilimlerin transformatörün dış etkilere daha hassas hale gelmesine ve ölçüm belirsizliğini genişletmesine işaret etmektedir. Ancak, aşırı veri değişimleri meydana gelmediği için, değerlendirme sürecinin istikrarlı ve güvenilir olduğunu göstermektedir.

5. Sonuç

Kılavuz elektronik gerilim transformatörlerinin doğrulama ve ölçüm sonuçlarının belirsizlik değerlendirme yöntemleri üzerine yapılan araştırmada, ölçüm doğruluğunu etkileyen birçok faktör analiz edilmiş ve bilimsel ve etkili değerlendirme yöntemleri araştırılmıştır. Teorik analiz ve deneysel doğrulama yoluyla, bu çalışma hem gerilim transformatörlerinin ölçüm sonuçlarının güvenilirliğini artırmış, hem de güç sisteminin istikrarlı çalışması için sağlam bir garanti sağlamıştır.