Una comparació pràctica de transformadors de corrent per a mesurament i protecció

Precisió de la TC de proteccióLa precisió del TC de protecció no es tracta d'una facturació precisa, sinó d'un rendiment predictible durant una fallada. La seva precisió es defineix per un "error compost" a un múltiple especificat del seu corrent nominal. Una classe de protecció comuna és5P10.Aquesta designació es desglossa de la següent manera:

• 5L'error compost no superarà el 5% al ​​límit de precisió.
• PAquesta lletra el designa com a CT de classe de protecció.
• 10Aquest és el factor límit de precisió (ALF). Significa que el transformador de corrent mantindrà la seva precisió especificada fins a 10 vegades el seu corrent primari nominal.

En resum, un CT 5P10 garanteix que quan el corrent primari és 10 vegades la seva classificació normal, el senyal enviat al relé encara es troba dins del 5% del valor ideal, garantint que el relé prengui una decisió de disparo correcta.

Càrrega i qualificació VA

Càrregaés la càrrega elèctrica total connectada als terminals secundaris del TC, mesurada en voltamperes (VA) o ohms (Ω). Tots els dispositius i cables connectats al TC contribueixen a aquesta càrrega. Superar la càrrega nominal d'un TC degradarà la seva precisió.

La càrrega total és lasuma de les impedàncies de tots els componentsen el circuit secundari:

• La pròpia resistència del bobinatge secundari del TC.
• La resistència dels cables que connecten el CT al dispositiu.
• La impedància interna del dispositiu connectat (mesurador o relé).

Càlcul de la càrrega total:Un enginyer pot calcular la càrrega total utilitzant la fórmula:Càrrega total (Ω) = bobinatge CT R (Ω) + cable R (Ω) + dispositiu Z (Ω)Per exemple, si la resistència del bobinatge secundari d'un transformador de corrent és de 0,08 Ω, els cables de connexió tenen una resistència de 0,3 Ω i el relé té una impedància de 0,02 Ω, la càrrega total del circuit és de 0,4 Ω. Aquest valor ha de ser inferior a la càrrega nominal del transformador de corrent perquè funcioni correctament.

Els TC de mesura solen tenir potències nominals baixes (per exemple, 2,5 VA, 5 VA) perquè es connecten a dispositius de mesura d'alta impedància i baix consum a distàncies curtes. Els TC de protecció requereixen potències nominals molt més altes (per exemple, 15 VA, 30 VA) perquè han de subministrar prou potència per fer funcionar les bobines de baixa impedància i alt consum d'un relé de protecció, sovint en cables molt més llargs. L'adaptació incorrecta de la càrrega nominal del TC a la càrrega real del circuit és una font d'error comuna tant en els esquemes de mesura com de protecció.

Comprensió del voltatge del punt de genoll

El voltatge de punt de genoll (KPV) és un paràmetre crític exclusiu dels TC de protecció. Defineix el límit superior del rang de funcionament útil d'un TC abans que el seu nucli comenci a saturar-se. Aquest valor és essencial per garantir que un relé de protecció rebi un senyal fiable durant una fallada d'alt corrent.

Els enginyers determinen la KPV a partir de la corba d'excitació del CT, que representa la tensió d'excitació secundària enfront del corrent d'excitació secundària. El "genoll" és el punt d'aquesta corba on les propietats magnètiques del nucli canvien dràsticament.

ElEstàndard IEEE C57.13proporciona una definició precisa per a aquest punt. Per a un TC amb nucli sense espai, el punt de genoll és on una tangent a la corba forma un angle de 45 graus amb l'eix horitzontal. Per a un TC amb nucli amb espai, aquest angle és de 30 graus. Aquest punt específic marca l'inici de la saturació.

Quan un CT funciona per sota del seu voltatge de punt de genoll, el seu nucli es troba en un estat magnètic lineal. Això li permet reproduir amb precisió el corrent de fallada per al relé connectat. Tanmateix, una vegada que la tensió secundària supera el KPV, el nucli entra en saturació. La saturació, sovint impulsada per grans corrents de CA i compensacions de CC durant una fallada, fa que el CT...la impedància de magnetització disminueix significativamentEl transformador ja no pot reflectir fidelment el corrent primari al seu costat secundari.

La relació entre KPV i la fiabilitat de la protecció és directa i crucial:

• Punt per sota del genoll:El nucli del transformador de corrent funciona linealment. Proporciona una representació precisa del corrent de fallada al relé de protecció.
• Punt per sobre del genoll:El nucli se satura. Això provoca un gran augment del corrent de magnetització i un funcionament no lineal, cosa que significa que el transformador de corrent ja no reflecteix amb precisió el corrent de falla real.
• Funcionament de relé:Els relés de protecció necessiten un senyal precís per funcionar correctament. Si un TC se satura abans que el relé pugui prendre una decisió, és possible que el relé no detecti la magnitud real de la fallada, cosa que provocarà un retard en el funcionament o una fallada completa.
• Seguretat del sistema:Per tant, la tensió del punt de genoll del transformador de transformadors ha de ser prou superior a la tensió secundària màxima esperada durant una fallada. Això garanteix que el relé rebi un senyal fiable per protegir equips cars.

Els enginyers calculen el KPV necessari per garantir que el transformador de transformació romangui insaturat en les pitjors condicions de fallada. Una fórmula simplificada per a aquest càlcul és:

KPV requerit ≥ Si × (Rct + Rb)

On:

• If= Corrent màxim de fallada secundària (Amperes)
• RCT= Resistència del bobinatge secundari del TC (Ohms)
• Rb= Càrrega total del relé, cablejat i connexions (Ohms)

En definitiva, el voltatge del punt de genoll serveix com a indicador principal de la capacitat d'un CT de protecció per dur a terme la seva funció de seguretat sota una tensió elèctrica extrema.

Descodificació de les designacions de la placa de noms dels transformadors de corrent

La placa de identificació d'un transformador de corrent conté un codi compacte que defineix les seves capacitats de rendiment. Aquesta designació alfanumèrica és un llenguatge abreujat per a enginyers, que especifica la precisió, l'aplicació i els límits operatius del component. Comprendre aquests codis és essencial per seleccionar el dispositiu correcte.

Interpretació de les classes de TC de mesura (per exemple, 0,2, 0,5S, 1)

Les classes de TC de mesura es defineixen mitjançant un número que representa l'error percentual màxim permès al corrent nominal. Un número més petit indica un grau de precisió més alt.

• Classe 1:Apte per a la mesura general de panells on una alta precisió no és crítica.
• Classe 0.5:S'utilitza per a aplicacions de facturació comercials i industrials.
• Classe 0.2:Necessari per a la mesura d'ingressos d'alta precisió.

Algunes classes inclouen la lletra "S". La designació "S" en les classes de TC de mesura IEC, com ara 0.2S i 0.5S, significa una alta precisió. Aquesta classificació en particular s'utilitza generalment en aplicacions de mesura de tarifes on les mesures precises són crítiques, especialment a l'extrem inferior del rang de corrent.

Interpretació de les classes de protecció CT (per exemple, 5P10, 10P20)

Les classes de TC de protecció utilitzen un codi de tres parts que descriu el seu comportament durant una fallada. Un exemple comú és5P10.

Desglossant el codi 5P10:

• 5Aquest primer número és l'error compost màxim en percentatge (5%) al límit de precisió.
• PLa lletra «P» en una classificació com la 5P10 significa «classe de protecció». Això indica que el CT està dissenyat principalment per a aplicacions de relés de protecció en lloc de mesures precises.
• 10Aquest últim número és el factor límit de precisió (ALF). Significa que el TC mantindrà la seva precisió especificada fins a un corrent de fallada que sigui 10 vegades la seva capacitat nominal.

De la mateixa manera, un10P20La classe CT té un límit d'error compost del 10% i un factor límit de precisió de20En una designació com 10P20, el número "20" significa el factor límit de precisió. Aquest factor indica que l'error del transformador es mantindrà dins dels límits acceptables quan el corrent sigui 20 vegades el seu valor nominal. Aquesta capacitat és crucial per garantir que els relés de protecció funcionin correctament durant condicions de curtcircuit greus.

Guia d'aplicació: Adaptació del CT a la tasca

Seleccionar el transformador de corrent adequat no és una qüestió de preferència, sinó un requisit dictat per l'aplicació. Un CT de mesura proporciona la precisió necessària per a les transaccions financeres, mentre que un CT de protecció ofereix la fiabilitat necessària per a la seguretat dels actius. Comprendre on aplicar cada tipus és fonamental per a un disseny i un funcionament sòlids del sistema elèctric.

Quan s'ha d'utilitzar una TC de mesura

Els enginyers haurien d'utilitzar un CT de mesura en qualsevol aplicació on l'objectiu principal sigui el seguiment precís del consum elèctric. Aquests dispositius són la base d'una facturació precisa i una gestió energètica. El seu disseny prioritza una alta precisió en condicions de càrrega normals.

Les aplicacions clau per als TC de mesura inclouen:

• Mesura d'ingressos i tarifesLes companyies de serveis públics utilitzen TC d'alta precisió (per exemple, classe 0.2S, 0.5S) per facturar clients residencials, comercials i industrials. La precisió garanteix transaccions financeres justes i correctes.
• Sistemes de Gestió d'Energia (EMS)Les instal·lacions utilitzen aquests CT per controlar el consum d'energia en diferents departaments o equips. Aquestes dades ajuden a identificar ineficiències i optimitzar l'ús de l'energia.
• Anàlisi de la qualitat de l'energiaEls analitzadors de qualitat d'energia requereixen entrades precises per diagnosticar problemes com ara harmònics i caigudes de tensió. Per a aquestes mesures, especialment en sistemes de mitjana tensió, la resposta de freqüència del transformador de mesura és fonamental. Els analitzadors moderns poden necessitar dades fiables.fins a 9 kHz, exigint transformadors optimitzats en freqüència per capturar un espectre harmònic complet.

Nota sobre la selecció:A l'hora d'escollir un CT per a un mesurador o analitzador de potència, diversos factors són crucials.

• Compatibilitat de sortidaLa sortida del TC (per exemple, 333 mV, 5 A) ha de coincidir amb els requisits d'entrada del mesurador.
• Mida de la càrregaEl rang d'amperatge del TC ha de coincidir amb la càrrega prevista per mantenir la precisió.
• Aptitud físicaEl transformador de corrent ha d'encaixar físicament al voltant del conductor. Les bobines flexibles de Rogowski són una solució pràctica per a barres grans o espais reduïts.
• PrecisióPer a la facturació, una precisió del 0,5% o superior és estàndard. Per a la monitorització general, l'1% pot ser suficient.

Quan s'ha d'utilitzar un CT de protecció

Els enginyers han d'utilitzar un transformador de corrent de protecció sempre que l'objectiu principal sigui protegir el personal i l'equip de sobrecorrents i fallades. Aquests transformadors de corrent estan dissenyats per romandre operatius durant esdeveniments elèctrics extrems, proporcionant un senyal fiable a un relé de protecció.

Les aplicacions comunes per als TC de protecció inclouen:

• Protecció contra sobrecorrent i fallades a terraAquests TC alimenten senyals a relés (com ara els dispositius ANSI 50/51) que detecten defectes de fase o de terra. El relé dispara un interruptor automàtic per aïllar el defecte. En els aparells de commutació de mitjana tensió, utilitzant un interruptor dedicatTC de seqüència zeroper a la protecció contra fallades a terra sovint es recomana sobre una connexió residual deTC trifàsicsUna connexió residual pot provocar falses disrupcions a causa d'una saturació desigual durant l'arrencada del motor o fallades de fase.
• Protecció diferencialAquest esquema protegeix els principals actius com ara transformadors i generadors comparant els corrents que entren i surten de la zona protegida. Requereix conjunts coincidents de TC de protecció.Relés digitals modernspot compensar diferents connexions de TC (estrella o delta) i canvis de fase mitjançant la configuració del programari, oferint una flexibilitat significativa en aquests esquemes complexos.
• Protecció a distànciaUtilitzat en línies de transmissió, aquest esquema es basa en transformadors de corrent de protecció per mesurar la impedància a una falla. La saturació del transformador de corrent pot distorsionar aquesta mesura, fent que el relé calculi erròniament la ubicació de la falla. Per tant, el transformador de corrent ha d'estar dissenyat per evitar la saturació durant la mesura.

Segons la norma ANSI C57.13, un transformador de corrent de protecció estàndard ha de suportar fins a20 vegadesel seu corrent nominal durant una fallada. Això garanteix que pugui enviar un senyal útil al relé quan més importa.

L'alt cost d'una selecció incorrecta

L'ús d'un tipus incorrecte de CT és un error crític amb greus conseqüències. Les diferències funcionals entre els CT de mesura i de protecció no són intercanviables, i una discrepància pot comportar resultats perillosos i costosos.

• Ús d'un CT de mesura per a la proteccióAquest és l'error més perillós. Un TC de mesura està dissenyat per saturar-se a sobrecorrents baixos per protegir el comptador. Durant una fallada important, se saturarà gairebé instantàniament. El TC saturat no podrà reproduir el corrent de fallada elevat i el relé de protecció no veurà la magnitud real de l'esdeveniment. Això pot provocar un desconnexió retardada o una fallada completa de funcionament, cosa que pot provocar danys catastròfics a l'equip, incendis i riscos per al personal. Per exemple, la saturació del TC pot fer que un relé de protecció diferencial de transformador...mal operar, provocant un desconnexió no desitjada durant una fallada externa.
• Ús d'un CT de protecció per a la mesuraAquesta elecció porta a inexactitud financera. Un TC de protecció no està dissenyat per a la precisió a corrents de funcionament normals. La seva classe de precisió (per exemple, 5P10) garanteix el rendiment a múltiples alts de la seva classificació, no a l'extrem inferior de l'escala on operen la majoria de sistemes. Utilitzar-lo per a la facturació seria com mesurar un gra de sorra amb un criteri. Les factures d'energia resultants serien inexactes, cosa que comportaria pèrdues d'ingressos per a la companyia elèctrica o un sobrecàrrec per al consumidor.

Un escenari de fallada crítica:En els esquemes de protecció a distància, la saturació del TC fa que el relé mesuri unimpedància més altaque el valor real. Això escurça eficaçment l'abast de protecció del relé. Una fallada que s'hauria d'eliminar instantàniament es pot veure com una fallada més distant, causant un desconnexió retardada. Aquest retard prolonga la tensió al sistema elèctric i augmenta el potencial de danys generalitzats.

En definitiva, el cost d'una selecció incorrecta d'un CT va molt més enllà del preu del component en si. Es manifesta en la destrucció d'equips, temps d'inactivitat operativa, registres financers inexactes i seguretat compromesa.

Pot un CT servir tant per a la mesura com per a la protecció?

Tot i que els transformadors de corrent de mesura i protecció tenen dissenys diferents, els enginyers de vegades necessiten un únic dispositiu per dur a terme ambdues funcions. Aquesta necessitat va conduir al desenvolupament de transformadors especialitzats de doble propòsit, però aquests tenen inconvenients específics.

El TC de doble propòsit (Classe X)

Una categoria especial, coneguda com aTransformador de corrent de classe X o PS, poden tenir funcions tant de mesura com de protecció. Aquests dispositius no es defineixen per classes de precisió estàndard com la 5P10. En canvi, el seu rendiment s'especifica mitjançant un conjunt de paràmetres clau que un enginyer utilitza per verificar la seva idoneïtat per a un esquema de protecció específic.

Segons les normes IEC, el rendiment d'un TC de classe X es defineix per:

• Corrent primari nominal
• Relació de girs
• Tensió del punt de genoll (KPV)
• Corrent de magnetització a la tensió especificada
• Resistència del bobinatge secundari a 75 °C

Aquestes característiques permeten que el dispositiu ofereixi una alta precisió per a la mesura en condicions normals, alhora que proporciona una tensió de punt de genoll predictible per a un funcionament fiable del relé durant les fallades. Sovint s'utilitzen en esquemes de protecció diferencial d'alta impedància on el rendiment s'ha de conèixer amb precisió.

Limitacions pràctiques i compromisos

Malgrat l'existència de TC de classe X, sovint s'evita l'ús d'un únic dispositiu tant per a la mesura com per a la protecció. Les dues funcions tenen requisits fonamentalment contradictoris.

Un TC de mesura està dissenyat per saturar-se aviat per protegir els comptadors sensibles.La CT de protecció està dissenyadaper resistir la saturació per garantir que un relé pugui detectar una fallada. Un TC de doble propòsit ha de fer un compromís entre aquests dos objectius oposats.

Aquest compromís significa que un CT de doble propòsit pot no realitzar cap de les dues tasques tan bé com una unitat dedicada. El disseny esdevé més complex i car. Per a la majoria d'aplicacions, la instal·lació de dos CT especialitzats i separats, un per a la mesura i un per a la protecció, és la solució més fiable i rendible. Aquest enfocament garanteix que tots dossistema de facturaciói el sistema de seguretat funciona sense compromisos.

---

L'elecció entreCT de mesura i proteccióés una decisió clara basada en la prioritat operativa. Una proporciona precisió per a la facturació, mentre que l'altra garanteix la fiabilitat durant una fallada. La selecció del tipus correcte no és negociable per a la seguretat del sistema, la precisió financera i la longevitat de l'equip. Els enginyers sempre han de comparar les especificacions del transformador de corrent amb les necessitats del dispositiu connectat.

Unllista de verificació finalinclou:

1. Determinar el corrent primari: Feu coincidir la relació del TC amb la càrrega màxima.
2. Calcula la càrrega: Suma la càrrega de tots els components connectats.
3. Verifica la classe de precisióSeleccioneu la classe correcta per a la mesura o la protecció.

Preguntes freqüents

Què passa si el circuit secundari d'un TC es deixa obert?

Un circuit secundari obert crea una alta tensió perillosa. El corrent primari es converteix en corrent magnetitzant, saturant el nucli. Aquesta condició pot destruir el transformador de corrent i presenta un risc greu de descàrrega elèctrica.

Seguretat primer:Curtcircuiteu sempre els terminals secundaris abans de desconnectar qualsevol instrument del circuit.

Com seleccionen els enginyers la relació de TC correcta?

Els enginyers seleccionen una relació on el corrent màxim normal del sistema sigui proper a la classificació primària del TC. Aquesta elecció garanteix que el TC funcioni dins del seu rang més precís. Per exemple, una càrrega de 90 A funciona bé amb un TC de 100:5 A.

Per què un TC de mesura no és segur per a la protecció?

Un TC de mesura se satura ràpidament durant una fallada. No pot informar del corrent de fallada real al relé de protecció. Aleshores, el relé no aconsegueix disparar l'interruptor, cosa que provoca la destrucció de l'equip i greus riscos de seguretat.

Un TC pot servir tant de mesura com de protecció?

Els TC de classe especial X poden complir ambdues funcions, però el seu disseny és un compromís. Per a una seguretat i precisió òptimes, els enginyers solen instal·lar dos TC dedicats i separats: un per a la mesura i un altre per a la protecció.