Практичне порівняння трансформаторів струму для вимірювання та захисту

Точність захисту CTТочність захисного трансформатора струму полягає не в точному виставленні рахунків, а в передбачуваній роботі під час несправності. Його точність визначається «складеною похибкою» при заданому кратному значенні його номінального струму. Загальний клас захисту —5P10.Це позначення розшифровується наступним чином:

• 5Складена похибка не перевищуватиме 5% на межі точності.
• PЦя літера позначає його як CT класу захисту.
• 10Це коефіцієнт граничної точності (ALF). Це означає, що трансформатор струму зберігатиме задану точність до 10 разів більше номінального первинного струму.

Коротше кажучи, 5P10 CT гарантує, що коли первинний струм у 10 разів перевищує нормальний номінальний, сигнал, що надсилається на реле, все ще знаходиться в межах 5% від ідеального значення, забезпечуючи правильне рішення про спрацювання реле.

Навантаження та рейтинг VA

Тягар– це загальне електричне навантаження, підключене до вторинних клем трансформатора струму, виміряне у вольт-амперах (ВА) або омах (Ом). Кожен пристрій і провід, підключені до трансформатора струму, вносять свій внесок у це навантаження. Перевищення номінального навантаження трансформатора струму призведе до зниження його точності.

Загальне навантаження – цесума імпедансів усіх компонентіву вторинному колі:

• Опір власної вторинної обмотки трансформатора струму.
• Опір підвідних проводів, що з'єднують КТ з пристроєм.
• Внутрішній імпеданс підключеного пристрою (лічильника або реле).

Розрахунок загального навантаження:Інженер може розрахувати загальне навантаження за формулою:Загальне навантаження (Ω) = обмотка ТТ R (Ω) + провід R (Ω) + пристрій Z (Ω)Наприклад, якщо опір вторинної обмотки трансформатора струму становить 0,08 Ом, опір з'єднувальних проводів — 0,3 Ом, а імпеданс реле — 0,02 Ом, загальне навантаження кола становить 0,4 Ом. Це значення має бути меншим за номінальне навантаження трансформатора струму, щоб він працював правильно.

Вимірювальні трансформатори струму зазвичай мають низькі номінальні значення потужності (наприклад, 2,5 ВА, 5 ВА), оскільки вони підключаються до високоомних вимірювальних приладів з низьким споживанням на коротких відстанях. Захисні трансформатори струму вимагають набагато вищих номінальних значень потужності (наприклад, 15 ВА, 30 ВА), оскільки вони повинні забезпечувати достатню потужність для роботи котушок захисного реле з нижчим опором та вищим споживанням, часто на набагато довших кабельних ділянках. Неправильне узгодження номінального навантаження трансформатора струму з фактичним навантаженням кола є поширеним джерелом помилок як у схемах вимірювання, так і в схемах захисту.

Розуміння напруги точки коліна

Напруга точки перегину (КПН) є критичним параметром, характерним виключно для захисних трансформаторів струму. Вона визначає верхню межу корисного робочого діапазону трансформатора струму, перш ніж його осердя почне насичуватися. Це значення є важливим для забезпечення надійного отримання захисним реле сигналу під час високострумового короткого замикання.

Інженери визначають KPV за кривою збудження трансформатора струму, яка відображає залежність вторинної збуджувальної напруги від вторинного збуджувального струму. «Коліно» – це точка на цій кривій, де магнітні властивості осердя різко змінюються.

TheСтандарт IEEE C57.13надає точне визначення для цієї точки. Для КТ без зазору точка перегину - це місце, де дотична до кривої утворює кут 45 градусів з горизонтальною віссю. Для КТ з зазором цей кут становить 30 градусів. Ця конкретна точка позначає початок насичення.

Коли трансформатор струму працює нижче напруги точки перегину, його осердя знаходиться в лінійному магнітному стані. Це дозволяє йому точно відтворювати струм короткого замикання для підключеного реле. Однак, як тільки вторинна напруга перевищує KPV, осердя входить у стан насичення. Насичення, часто спричинене великими змінними струмами та зміщеннями постійного струму під час короткого замикання, призводить до того, що трансформатор струму...імпеданс намагнічування значно знизитисяТрансформатор більше не може точно відображати первинний струм на вторинній стороні.

Зв'язок між KPV та надійністю захисту є прямим та вирішальним:

• Нижче точки коліна:Сердечник трансформатора струму працює лінійно. Він забезпечує точне відображення струму короткого замикання для захисного реле.
• Вище коліна:Серцевина насичується. Це призводить до значного збільшення струму намагнічування та нелінійної роботи, а це означає, що трансформатор струму більше не точно відображає справжній струм короткого замикання.
• Робота реле:Захисні реле потребують точного сигналу для правильної роботи. Якщо трансформатор струму перебуває в стані насичення, перш ніж реле зможе прийняти рішення, воно може не виявити справжню величину несправності, що призведе до затримки спрацьовування або повної відмови роботи.
• Безпека системи:Тому напруга в точці перегину трансформатора струму повинна бути достатньо вищою за максимальну вторинну напругу, що очікується під час КЗ. Це гарантує, що реле отримуватиме надійний сигнал для захисту дорогого обладнання.

Інженери розраховують необхідний KPV, щоб забезпечити ненасиченість трансформатора струму за найгірших умов КЗ. Спрощена формула для цього розрахунку:

Необхідний KPV ≥ Якщо × (Rct + Rb)

Де:

• If= Максимальний струм вторинного замикання (Ампери)
• ПКТ= Опір вторинної обмотки CT (Ом)
• Rb= Загальне навантаження реле, проводки та з'єднань (Ом)

Зрештою, напруга точки перегину служить основним показником здатності захисного трансформатора струму виконувати свою функцію безпеки за умов екстремального електричного навантаження.

Розшифровка позначень на заводських табличках трансформаторів струму

Паспортна табличка трансформатора струму містить компактний код, який визначає його експлуатаційні можливості. Це буквено-цифрове позначення є скороченою мовою для інженерів, що визначає точність, застосування та експлуатаційні межі компонента. Розуміння цих кодів є важливим для вибору правильного пристрою.

Інтерпретація вимірювань класів КТ (наприклад, 0,2, 0,5S, 1)

Класи вимірювальних трансформаторів струму визначаються числом, яке представляє максимально допустиму відсоткову похибку за номінального струму. Менше число вказує на вищий ступінь точності.

• Клас 1:Підходить для загального панельного вимірювання, де висока точність не є критичною.
• Клас 0.5:Використовується для комерційних та промислових застосувань виставлення рахунків.
• Клас 0.2:Необхідно для високоточного вимірювання доходів.

Деякі класи містять літеру «S». Позначення «S» у класах вимірювального струму IEC, таких як 0,2S та 0,5S, означає високу точність. Ця конкретна класифікація зазвичай використовується в тарифних системах вимірювання, де точні вимірювання є критично важливими, особливо в нижній частині діапазону струмів.

Інтерпретація класів захисту CT (наприклад, 5P10, 10P20)

Класи захисту CT використовують тричастинний код, який описує їхню поведінку під час несправності. Типовим прикладом є5P10.

Розшифровка коду 5P10:

• 5Це перше число — максимальна складена похибка у відсотках (5%) на межі точності.
• PЛітера «P» у класифікації, такій як 5P10, означає «Клас захисту». Це вказує на те, що трансформатор струму в першу чергу призначений для застосування в захисному релейному з'єднанні, а не для точних вимірювань.
• 10: Це останнє число — коефіцієнт граничної точності (ALF). Це означає, що трансформатор струму зберігатиме задану точність до струму короткого замикання, який у 10 разів перевищує його номінальний струм.

Аналогічно, a10P20Клас КТ має сукупну межу похибки 10% та коефіцієнт граничної точності20У позначенні, такому як 10P20, число «20» означає коефіцієнт граничної точності. Цей коефіцієнт показує, що похибка трансформатора залишатиметься в допустимих межах, коли струм у 20 разів перевищує його номінальне значення. Ця здатність є вирішальною для забезпечення правильної роботи захисних реле в умовах сильного короткого замикання.

Посібник із застосування: Підбір КТ відповідно до завдання

Вибір відповідного трансформатора струму – це не питання уподобань, а вимога, що диктується застосуванням. Вимірювальний трансформатор струму забезпечує точність, необхідну для фінансових операцій, тоді як захисний трансформатор струму забезпечує надійність, необхідну для безпеки активів. Розуміння того, де застосовувати кожен тип, є основоположним для надійного проектування та експлуатації електричної системи.

Коли використовувати вимірювальну комп'ютерну томографію

Інженерам слід використовувати вимірювальний трансформатор струму в будь-якій системі, де основною метою є точне відстеження споживання електроенергії. Ці пристрої є основою точного виставлення рахунків та управління енергією. Їхня конструкція надає пріоритет високій точності за нормальних умов навантаження.

Основні застосування вимірювальних КТ включають:

• Облік доходів та тарифівКомунальні підприємства використовують високоточні трансформатори струму (наприклад, класу 0.2S, 0.5S) для виставлення рахунків житловим, комерційним та промисловим споживачам. Точність забезпечує справедливі та правильні фінансові операції.
• Системи енергоменеджменту (СЕМ): Заклади використовують ці КТ для моніторингу споживання енергії в різних відділах або одиницях обладнання. Ці дані допомагають виявляти неефективність та оптимізувати використання енергії.
• Аналіз якості електроенергіїАналізатори якості електроенергії потребують точних вхідних даних для діагностики таких проблем, як гармоніки та провали напруги. Для цих вимірювань, особливо в системах середньої напруги, частотна характеристика вимірювального трансформатора є критично важливою. Сучасним аналізаторам можуть знадобитися надійні дані.до 9 кГц, що вимагає трансформаторів з оптимізованою частотою для захоплення повного гармонічного спектру.

Примітка щодо вибору:При виборі CT для вимірювача потужності або аналізатора вирішальне значення мають кілька факторів.

• Сумісність виходуВихідний сигнал трансформатора струму (наприклад, 333 мВ, 5 А) має відповідати вхідним вимогам лічильника.
• Розмір завантаженняДіапазон сили струму КТ повинен відповідати очікуваному навантаженню для забезпечення точності.
• Фізична підготовка: КТ повинен фізично облягати провідник. Гнучкі котушки Роговського є практичним рішенням для великих шин або тісних просторів.
• ТочністьДля виставлення рахунків стандартною є точність 0,5% або вище. Для загального моніторингу може бути достатньо 1%.

Коли використовувати захисну КТ

Інженери повинні використовувати захисний трансформатор струму (ТТ) скрізь, де основною метою є захист персоналу та обладнання від перевантажень по струму та несправностей. Ці ТТ розроблені для того, щоб залишатися в робочому стані під час екстремальних електричних подій, забезпечуючи надійний сигнал до захисного реле.

Звичайні застосування захисних КТ включають:

• Захист від перевантаження по струму та захисту від замикання на землюЦі трансформатори струму подають сигнали на реле (наприклад, ANSI Device 50/51), які виявляють фазні або замикання на землю. Потім реле вимикає автоматичний вимикач, щоб ізолювати несправність. У розподільних пристроях середньої напруги використання спеціальногоКТ нульової послідовностідля захисту від замикання на землю часто рекомендується використовувати замість залишкового з'єднаннятрифазні трансформатори струмуЗалишкове з'єднання може призвести до помилкових спрацьовувань через нерівномірне насичення під час запуску двигуна або фазні замикання.
• Диференціальний захистЦя схема захищає основні активи, такі як трансформатори та генератори, шляхом порівняння струмів, що входять та виходять із захищеної зони. Вона вимагає узгоджених наборів захисних трансформаторів струму.Сучасні цифрові релеможе компенсувати різні з'єднання струму струму (зірка або трикутник) та фазові зсуви за допомогою програмних налаштувань, забезпечуючи значну гнучкість у цих складних схемах.
• Захист від відстані: Використовувана в лініях електропередачі, ця схема спирається на захисні трансформатори струму для вимірювання імпедансу до місця несправності. Насичення трансформатора струму може спотворити це вимірювання, що призведе до неправильної оцінки реле місцезнаходження несправності. Тому трансформатор струму має бути розроблений таким чином, щоб уникнути насичення протягом усього вимірювання.

Згідно з ANSI C57.13, стандартний захисний КТ повинен витримувати до20 разівйого номінальний струм під час несправності. Це гарантує, що він може подавати корисний сигнал на реле, коли це найбільш необхідно.

Висока ціна неправильного вибору

Використання неправильного типу трансформатора струму є критичною помилкою з серйозними наслідками. Функціональні відмінності між вимірювальними та захисними трансформаторами струму не є взаємозамінними, а невідповідність може призвести до небезпечних та дорогих наслідків.

• Використання вимірювального КТ для захистуЦе найнебезпечніша помилка. Вимірювальний трансформатор струму розроблений для насичення при низьких перевантаженнях струмами для захисту лічильника. Під час серйозного замикання він насичується майже миттєво. Насичений трансформатор струму не зможе відтворити високий струм замикання, і захисне реле не побачить справжньої величини події. Це може призвести до затримки спрацьовування або повної відмови роботи, що спричинить катастрофічне пошкодження обладнання, пожежу та ризик для персоналу. Наприклад, насичення трансформатора струму може призвести до спрацювання реле диференціального захисту трансформатора.неправильно працювати, що призводить до небажаного спрацьовування під час зовнішнього замикання.
• Використання захисного КТ для вимірюванняТакий вибір призводить до фінансової неточності. Захисний трансформатор струму не призначений для точності за нормальних робочих струмів. Його клас точності (наприклад, 5P10) гарантує роботу за високих значень його номінального струму, а не за нижніх значень шкали, де працює більшість систем. Його використання для виставлення рахунків було б схоже на вимірювання піщинки міркою. Отримані рахунки за електроенергію будуть неточними, що призведе до втрати доходів для комунального підприємства або завищеної ціни для споживача.

Сценарій критичного збою:У схемах дистанційного захисту насичення КТ призводить до вимірювання релевищий імпедансніж фактичне значення. Це фактично скорочує захисний діапазон реле. Несправність, яку слід усунути негайно, може розглядатися як більш віддалена несправність, що призводить до затримки спрацьовування. Ця затримка подовжує навантаження на електричну систему та збільшує потенціал для широкомасштабних пошкоджень.

Зрештою, вартість неправильного вибору трансформатора струму набагато перевищує вартість самого компонента. Це проявляється у руйнуванні обладнання, простоях в експлуатації, неточних фінансових записах та порушенні безпеки.

Чи може один КТ виконувати функцію як вимірювання, так і захисту?

Хоча вимірювальні та захисні трансформатори струму мають різні конструкції, інженерам іноді потрібен один пристрій для виконання обох функцій. Ця потреба призвела до розробки спеціалізованих трансформаторів подвійного призначення, але вони мають певні компроміси.

КТ подвійного призначення (клас X)

Спеціальна категорія, відома якТрансформатор струму класу X або класу PS, можуть виконувати як вимірювальні, так і захисні функції. Ці пристрої не визначаються стандартними класами точності, такими як 5P10. Натомість їхня продуктивність визначається набором ключових параметрів, які інженер використовує для перевірки їхньої придатності для конкретної схеми захисту.

Згідно зі стандартами IEC, характеристики КТ класу X визначають:

• Номінальний первинний струм
• Коефіцієнт поворотів
• Напруга точки перетину (КПВ)
• Струм намагнічування при заданій напрузі
• Опір вторинної обмотки при 75°C

Ці характеристики дозволяють пристрою забезпечувати високу точність вимірювання за нормальних умов, а також забезпечувати передбачувану напругу перегину для надійної роботи реле під час несправностей. Вони часто використовуються в схемах диференціального захисту з високим опором, де характеристики повинні бути точно відомі.

Практичні обмеження та компроміси

Незважаючи на існування трансформаторів струму класу X, використання одного пристрою як для вимірювання, так і для захисту часто уникають. Ці дві функції мають принципово суперечливі вимоги.

Вимірювальний трансформатор струму призначений для раннього насичення, щоб захистити чутливі вимірювачі.захист КТ розробленийпротистояти насиченню, щоб гарантувати, що реле зможе виявити несправність. CT подвійного призначення повинен знаходити компроміс між цими двома протилежними цілями.

Цей компроміс означає, що трансформатор струму подвійного призначення може не виконувати жодне з цих завдань так само добре, як спеціалізований пристрій. Конструкція стає складнішою та дорожчою. Для більшості застосувань встановлення двох окремих спеціалізованих трансформаторів струму — одного для вимірювання та одного для захисту — є більш надійним та економічно ефективним рішенням. Такий підхід гарантує, що обидвасистема виставлення рахунківа система безпеки працює без компромісів.

---

Вибір міжвимірювальні та захисні трансформатори струму– це чітке рішення, що ґрунтується на операційному пріоритеті. Одне забезпечує точність виставлення рахунків, а інше – надійність під час несправності. Вибір правильного типу є невід'ємним фактором для безпеки системи, фінансової точності та довговічності обладнання. Інженери завжди повинні звіряти характеристики трансформатора струму з потребами підключеного пристрою.

Аконтрольний список остаточної перевіркивключає:

1. Визначення первинного струмуУзгодьте коефіцієнт трансформації струму з максимальним навантаженням.
2. Розрахувати навантаженняПідсумуйте навантаження всіх підключених компонентів.
3. Перевірте клас точностіВиберіть правильний клас для вимірювання або захисту.

Найчастіші запитання

Що станеться, якщо вторинне коло трансформатора струму залишити розімкнутим?

Розімкнуте вторинне коло створює небезпечно високу напругу. Первинний струм перетворюється на струм намагнічування, насичуючи осердя. Цей стан може зруйнувати трансформатор струму та створити серйозну небезпеку ураження електричним струмом.

Безпека понад усе:Завжди закорачуйте вторинні клеми перед відключенням будь-якого приладу від кола.

Як інженери вибирають правильний коефіцієнт струму?

Інженери вибирають коефіцієнт, при якому нормальний максимальний струм системи знаходиться поблизу номінального значення первинного струмового трансформатора. Такий вибір гарантує, що струмовий трансформатор працює в межах свого найточнішого діапазону. Наприклад, навантаження 90 А добре працює з струмовим трансформатором 100:5 А.

Чому вимірювальний КТ є небезпечним для захисту?

Вимірювальний трансформатор струму швидко насичується під час КЗ. Він не може повідомити про справжній струм КЗ на захисне реле. Тоді реле не вимикає автоматичний вимикач, що призводить до руйнування обладнання та серйозних загроз безпеці.

Чи може один ток струму виконувати функцію як вимірювання, так і захисту?

Спеціальні трансформатори струму класу X можуть виконувати обидві ролі, але їхня конструкція є компромісом. Для оптимальної безпеки та точності інженери зазвичай встановлюють два окремих, спеціалізованих трансформатори струму — один для вимірювання, а інший для захисту.