laborator de etalonare a dispozitivelor de masurare...

The First

International Proficiency Testing Conference

Sinaia, România 11th − 13th October, 2007

291

LABORATOR DE ETALONARE A DISPOZITIVELOR DE MASURARE

CURENTI MARI

Andrei Marinescu, Corneliu Chiciu, Horia Ionescu, Constantin Ilinca, Alexandru Ionescu

Institutul National de Cercetare Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica – ICMET Craiova

* email: [email protected] Abstract In this report there are presented the facilities, the procedures and the results obtained at the tests of calibration of the converting devices – shunts and Rogowski coils – for high current (0,1kA - 180kA) measuring, this range not being covered by the Romanian National Institute of Metrology. In order to obtain the accreditation from the National Accreditation Organism – RENAR, the laboratory has elaborated and has implemented his own Quality Assurance System in concordance with the requirements of the international standard ENISO/IEC 17025 adopted by translation without modifications in Romania under the name SR EN ISO/CEI 17025 “General requirements for the competence of the laboratories of tests and calibration”. Key words Curenti mari, etalonare, trasabilitate 1 INTRODUCERE Conform reglementarilor Uniunii Europene, o circulatie libera a produselor pe piata nu este posibila decat daca indeplinesc cerintele de certificare a calitatii bazata pe Rapoarte de incercari de tip emise de laboratoare acreditate. Una dintre cele mai importante probleme pe care laboratoarele trebuie sa le rezolve pentru a-si dovedi competenta in vederea obtinerii acreditarii este cea referitoare la demonstrarea trasabilitatii masurarilor. In domeniul masurarii curentilor mari, in prezent, Romania prin Institutul National de Metrologie poate asigura trasabilitatea masurarilor prin etalonarea dispozitivelor de conversie pentru curenti numai pana la 100A.

Andrei Marinescu, Corneliu Chiciu, Horia Ionescu, Constantin Ilinca, Alexandru Ionescu: Laborator de etalonare a dispozitivelor de masurare curenti mari

292

In aceste conditii, ICMET Craiova, avand responsabilitatea de unic furnizor in Romania si zona Balcanica de servicii de incercare pentru certificarea calitatii echipamentelor electrice de joasa, medie si inalta tensiune, a decis sa dezvolte un laborator propriu de etalonare a dispozitivelor de conversie pentru curenti mari in domeniul de interes 0,1 – 180kA avand la baza principalele echipamente (surse de curent, intreruptoare, scurtcircuitoare sincrone, sisteme de distributie si de reglaj a curentului si sisteme de masurare) existente in propriul Laborator de Mare Putere, completate cu dispozitive de conversie si sisteme de masurare utilizate ca etaloane de referinta cu trasabilitate la Institutul National de Metrologie “Physikalisch – Technische Bundesanstalt” – PTB Germania, membru al “Bureau International des Poids et Mesures” – BIMP. Procedurile proprii utilizate pentru incercarile de etalonare corespund cerintelor [1] CEI 62475 First Edition – 200xx “Tehnica incercarilor la curenti mari. Definitii si cerinte pentru curenti de incercare si sisteme de masurare”. 2 SCHEME, ECHIPAMENTE, PROCEDURI, REZULTATE 2.1 Determinarea factorului de scala

Determinarea factorului de scala se executa intr-o schema ca in Figura 1 prin comparatia directa a rezultatelor masuratorilor inregistrate simultan de pe etalonul de referinta ER si a dispozitivului de conversie de etalonat DE.

T ER

DE

I1

G

X

TT

Sc

~

I2

a

bTR

I

ab

Figura 1 – Schema circuitului pentru determinarea factorului de scala si liniaritatii

in care: G – generator 12 kV; 120kA; 50Hz I1; I2 – intreruptoare operative si de protectie 12kV; 120kA SC – scurtcircuitor sincron 12kV; 120kA; ±5° electrice X – reactoare fara miez de fier pentru reglajul curentului 0,005÷3,6 ohmi T- transformatori de putere de soc 4buc x Psc = 40MVA; 10/0,125; 0,500kV TT – transformator de masura tensiune 15/0,1kV ER– dispozitiv de conversie curent – etalon de referinta DE – dispozitiv de conversie supus programului de etalonare TR– transient recorder In conformitate cu [1] in circuitul ER si DE din Fig.1 se aplica un curent simetric sinusoidal I, de frecventa industriala si se inregistreaza simultan marimea de intrare IER furnizata de etalonul de referinta si tensiunea UDE corespunzatoare marimii de iesire a dispozitivului de etalonat utilizand Transient Recorder (TR).


293

Valoarea marimii de intrare obtinuta pentru fiecare masurare cu etalonul de referinta se imparte la cea corespunzatoare ei obtinuta cu dispozitivul de etalonat din care rezulta o valoare Fi a factorului de scala. Procedura se repeta de n ori pentru a obtine o valoare medie Fm (Ec.1) a factorului de scala a dispozitivului de etalonat:

n

FF

n

ii

m

∑== 1 (1)

Abaterea standard (Ec.2) corespunzatoare rezultatelor obtinute este data de formula:

( )

11

2

−

−=

∑=

n

FFs

n

imi

(2)

cu care se calculeaza incertitudinea standard (Ec.3) de tip A a valorii medii Fm:

100*m

A Fnsu∗

= (3)

In Figura 2 sunt prezentate oscilogramele curentului IER si a tensiunii UDE in cazul incercarii de determinare a factorului de scala a unui sunt de curent alternativ 2000A/2000mV utilizand ca etalon de referinta un sunt de curent alternativ cu trasabilitate la PTB Germania. Durata curentului de 140ms permite citirea a 10 valori independente care sunt prezentate in Tabel 1 impreuna cu rezultatele obtinute.

0.250.085 0.100 0.110 0.120 0.130 0.140 0.150 0.160 0.170 0.180 0.190 0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 sec

0.250085 0.100 0.110 0.120 0.130 0.140 0.150 0.160 0.170 0.180 0.190 0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 sec

UDE IER

UDE

Figura 2 – Oscilogramele IER si UDE inregistrate la incercarile de determinare a

factorului de scala la valoarea curentului nominal Inef= 2kA


294

Tabel 1 – Valori obtinute si calculate pentru determinarea factorului de scala rezultate din oscilogramele Fig. 1

Numarul Masuratorii

IERief [kA]

UDEief [V]

Fi=IERief/UDEief [kA/V]

1 1,9971 1,99 1,0035 2 2,0023 2,0029 0,9997 3 1,9984 1,98 1,0092 4 2,0011 1,974 1,0137 5 1,9963 2,022 0,9872 6 1,9992 2,014 0,9926 7 2,0036 2,009 0,9973 8 2,0018 1,976 1,0130 9 1,9979 1,987 1,0054 10 2,0029 1,995 1,0039 Valoarea medie: Fm [kA/V] 1,00260 Abaterea standard: s [kA/V] 0,00855 Incertitudinea de tip A: uA [%] 0,26986

Procedura se repeta pentru curenti reprezentand 20; 40; 60 si 80% (j=1..4) din valoarea curentului nominal al suntului pentru a estima componenta incertitudinii de tip B asociata constantei factorului de scala ulin (Ec.4) pentru tot domeniul de etalonat:

1max*3

1

5

4

1−=

=m

mj

jlin FF

u (4)

unde:

Fmj este rezultatul obtinut la fiecare nivel de curent j=1..4 Fm5 = 1,0026 este factorul de scala la curent nominal

Similar Fm5 au fost calculate si valorile Fmj, j=1..4, respectiv: Fm1 = 0,9988 Fm2 = 0,9992 Fm3 = 1,0072 Fm4 = 1,0014 rezultand:

ulin= 0,002651%. 2.2 Determinarea liniaritatii

Conform [1] in circuitul ER si DE din Fig. 1 se aplica curenti asimetrici de frecventa industriala cu valorile eficace de 20; 40; 60; 80 si respectiv 100% (i=1..5) din valoarea curentului nominal al dispozitivului de etalonat si un factor k=2,5..2,8 pentru valoarea de varf. Durata curentului este de 100-120ms. Evaluarea rezultatelor se face luand in considerare valoarea primului varf al fiecarui curent cu scopul de a furniza o extensie a valabilitatii factorului de scala, de la valoarea curentului nominal al dispozitivului de etalonat, pana la valoarea maxima a curentului pentru care a fost executata etalonarea. Maximul abaterii (Ec.5) este luat drept o estimare de tip B a incertitudinii standard ulin referitoare la constanta factorului de scala:


295

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

=

1*3

1 max5

1 m

i

ilin R

Ru (5)

unde:

ERi

DEii I

IR =

∑=

=5

1*

51

i ERi

DEim I

IR

In Fig. 3 sunt prezentate oscilogramele curentilor IER si IDE pentru valoarea de varf a curentului Invarf = 5kA in cazul incercarii de determinare a factorului de scala a unui sunt de curent alternativ 2000A utilizand ca etalon de referinta un sunt cu trasabilitate la PTB Germania. In Tabel 2 sunt prezentate valorile obtinute si calculate pentru intreg domeniul.

0.280.125 0.140 0.150 0.160 0.170 0.180 0.190 0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 sec

0.280125 0.140 0.150 0.160 0.170 0.180 0.190 0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 sec

sec

IDE

IER

Fig. 3 – Oscilogramele curentilor IER si IDE inregistrate la incercarile de determinare a

liniaritatii la un curent nominal Inef = 2kA si o valoare de varf Invarf = 5kA

Tabel 2 – Valori obtinute si calculate pentru determinarea liniaritatii unui sunt de curent alternativ utilizand ca etalon de referinta un sunt coaxial cu trasabilitate la PTB

Germania Numarul incercarii IERivarf

[kA] IDEivarf [kA]

Ri= IDEivarf/IERivarf

Abs(Ri/Rm – 1)

1 0,9857 0,9992 0,9864 0,0146 2 1,9840 2,0053 0,9893 0,0117 3 3,0330 2,9960 1,0123 0,0112 4 4,0430 4,0061 1,0092 0,0080 5 5,0340 4,9930 1,0082 0,0070 Valoarea medie: Rm 1,001128 Incertitudinea de tip B: ulin [%] 0,008442

Analizand rezultatele constatam ca valoarea cea mai mare a incertitudinii ulin este cea determinata prin incercarile de liniaritate, respectiv ulin= 0,008442 care este acoperitoare pentru a fi luata drept una dintre contributiile de tip B de care s-a tinut cont in calculul incertitudinii totale Uet (Ec.6):


296

%131,2*2* 222 =++== linArefetet uuuukU (6)

unde: k=2 este factorul de acoperire pentru o probabilitate de aproximativ 95% si pentru o distributie normala; uref este incertitudinea standard combinata a factorului de scala pentru sistemul de masura de referinta la momentul etalonarii lui (Ec.7) si este compusa din incertitudinea uTR = 0,25% pentru Transient Recorder si din incertitudinea uref =1% pentru suntul de referinta declarate in certificatele lor de etalonare, rezultand:

%0308,122 =+= refTRref uuu (7) 2.3 Determinarea raspunsului la semnal treapta de curent

In acest scop se utilizeaza un generator treapta de curent cu o schema corespunzatoare figurii 4.

10.00 kV

U

Uc

Unitate de comanda si monitorizare

POL

OFF

ON START TRIG Trigger

Iesire IT

Comutator

i(t)

C

E

S1+ -

R

O-OsciloscopDE

Figura 4 – Schema generatorului treapta de curent

unde: U = sursa de tensiune reglabila 0-10kV ±2% C – Condensator 1μF/10kV ±10% R = rezistenta 50Ω ±10% E – eclator DE – dispozitiv de conversie curent O – osciloscop;4 canale, 600MHz Caracteristicile generatorului treapta de curent:

• timp maxim de incarcare 5s • polaritate selectabila +,- • timp de crestere al curentului 20ns±20% • valoarea de varf a curentului la iesire 200A±10%


297

In Figura 5 este prezentata o inregistrare a raspunsului la semnal treapta.

Fig.ura 5 – Raspunsul la semnal treapta al unui sunt coaxial

Procedura se repeta de n=10 ori si de fiecare data se calculeaza timpul experimental

de raspuns TNi, i=1..n. Valoarea medie n

TT

n

iNi

N

∑== 1 a acestor timpi este luata drept

valoarea timpului experimental de raspuns. In continuare se calculeaza incertitudinea extinsa in procente UTN (Ec.8) care este asociata determinarii timpului de raspuns TN. Aceasta incertitudine este de tip A si este data de formula:

100***N

TNTN TnstutU∗

== (8)

unde:

• uTN este incertitudinea standard relativa • t=2.26 este factorul student sau factorul de acoperire in cazul unei distributii

normale de probabilitate (gaussiana) si corespunde unui nivel de incredere de 95%

• s este abaterea standard si este data de formula (Ec.9) :

( )

11

2

−

−=

∑=

n

TTs

n

iNNi

(9)

In Tabel 3 sunt prezentate rezultatele masuratorii timpului de raspuns si rezultatele obtinute aplicand formulele prezentate anterior.


298

Tabel3 – Valorile timpului de raspuns Tr la semnal treapta pentru 10 masurari si incertitudinea asociata UTN

Numarul Masuratorii TNi[ns] 1 37.03 2 36.92 3 37.48 4 37.17 5 37.37 6 37.28 7 37.49 8 37.17 9 37.12

10 37.41 Valoarea medie: TN [ns] 37.24 Abaterea standard: s [ns] 0.19 Incertitudinea de tip A: UTN [%] 0.37%

2.4 Determinarea rezistentei dispozitivului de conversie

Determinarea rezistentei dispozitivului de conversie se executa la o temperatura a mediului ambiant 22 ± 2°C cu un microohmetru digital avand caracteristicile:

• curent de incercare 10-500Acc • domeniu de masura 1-200mΩ

Exemplu – valoarea rezistentei masurate a unui sunt de curent alternativ in conditiile de mediu specificate mai sus este de 3,87μΩ fiind media a 10 citiri la un curent de 500Acc. S-a calculat incertitudinea de tip A, UR, care este asociata masurarii rezistentei suntului aplicandu-se aceeasi metoda ca la punctul 2.3. Rezultatele calculelor corespunzatoare au condus la valoarea: UR = 0.1% 3 CONCLUZII

- ICMET Craiova dispune in prezent de organizarea si infrastructura necesara demonstrarii trasabilitatii masurarilor de curenti mari.

- Utilizarea procedurilor de etalonare a dispozitivelor de conversie si a sistemelor de masurare curenti mari prin comparatie directa cu etaloane de referinta cu trasabilitate sunt in concordanta cu cerintele standardului SR EN ISO/CEI17025 pentru obtinerea acreditarii

- Obtinerea acreditarii de catre un laborator reprezinta garantia ca rezultatele consemnate in Rapoartele de incercare emise de acesta sunt credibile.

REFERENCES [1] IEC 62475 First edition – 200 – XX – HIGH CURRENT TEST TECHNIQUES

– Definitions and requirements for test currents and measuring systems [2] IEC 60060-2 High voltage test techniques – Measuring Systems [3] R.C. Hughes, G. Rizzi, J. Rungis, K. Schon, G. Zingales, members of CIGRE

TASK FORCE 33.03.07: Traceability of measurement in high voltage tests


299

[4] Claudio Cherbaucich, Gianluigi Furioli, Giuseppe Rizzi – CESI, Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Milan, Italy: Calibration of high voltage in heavy current measuring systems

[5] Short Circuit Testing Liaison – STL Documents about: • “Establish traceability for high current measurement within the

responsability of STL • JSTC Japan short circuit testing committee: Guide for the STL

shunt project in Asia and an exemple of calibration in JSTC member laboratory – JSTC

• SATSCTC/05.03 Results for the power frequency test at 50Hz [6] SR EN ISO/CEI 17025 – Cerinte generale pentru competenta laboratoarelor

de incercari si etalonari