Praktyczne porównanie przekładników prądowych do pomiaru i ochrony

Dokładność ochrony CTDokładność przekładnika prądowego nie polega na precyzyjnym rozliczaniu, lecz na przewidywalnej wydajności podczas awarii. Dokładność przekładnika prądowego jest definiowana przez „błąd złożony” przy określonej wielokrotności prądu znamionowego. Powszechnie stosowaną klasą ochrony jest…5P10.To oznaczenie rozkłada się następująco:

• 5:Błąd złożony nie przekroczy 5% w granicy dokładności.
• P:Ta litera określa klasę ochrony CT.
• 10:To jest współczynnik graniczny dokładności (ALF). Oznacza to, że przekładnik prądowy utrzyma swoją określoną dokładność do 10-krotności znamionowego prądu pierwotnego.

Krótko mówiąc, przekładnik prądowy 5P10 gwarantuje, że gdy prąd pierwotny jest 10 razy większy od swojego normalnego prądu znamionowego, sygnał wysyłany do przekaźnika będzie nadal mieścił się w granicach 5% wartości idealnej, co pozwoli przekaźnikowi podjąć prawidłową decyzję o wyłączeniu.

Obciążenie i ocena VA

Ciężarto całkowite obciążenie elektryczne podłączone do zacisków wtórnych przekładnika prądowego, mierzone w woltoamperach (VA) lub omach (Ω). Każde urządzenie i przewód podłączony do przekładnika prądowego przyczynia się do tego obciążenia. Przekroczenie znamionowego obciążenia przekładnika prądowego obniży jego dokładność.

Całkowity ciężar tosuma impedancji wszystkich składnikóww obwodzie wtórnym:

• Rezystancja uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego.
• Rezystancja przewodów łączących przekładnik prądowy z urządzeniem.
• Impedancja wewnętrzna podłączonego urządzenia (licznik lub przekaźnik).

Obliczanie całkowitego obciążenia:Inżynier może obliczyć całkowite obciążenie korzystając ze wzoru:Całkowite obciążenie (Ω) = Uzwojenie przekładnika prądowego R (Ω) + Przewód R (Ω) + Urządzenie Z (Ω)Na przykład, jeśli rezystancja uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego (CT) wynosi 0,08 Ω, przewody łączące mają rezystancję 0,3 Ω, a przekaźnik ma impedancję 0,02 Ω, całkowite obciążenie obwodu wynosi 0,4 Ω. Wartość ta musi być mniejsza niż znamionowe obciążenie przekładnika prądowego (CT), aby działał on prawidłowo.

Przekładniki prądowe pomiarowe zazwyczaj mają niską moc znamionową w VA (np. 2,5 VA, 5 VA), ponieważ są podłączane do urządzeń pomiarowych o wysokiej impedancji i niskim poborze mocy na krótkich dystansach. Przekładniki ochronne wymagają znacznie wyższej mocy znamionowej w VA (np. 15 VA, 30 VA), ponieważ muszą dostarczać wystarczającą moc do zasilania cewek przekaźnika zabezpieczającego o niższej impedancji i wyższym poborze mocy, często na znacznie dłuższych odcinkach kabli. Nieprawidłowe dopasowanie obciążenia przekładnika prądowego do rzeczywistego obciążenia obwodu jest częstym źródłem błędów zarówno w systemach pomiarowych, jak i zabezpieczających.

Zrozumienie napięcia punktu kolanowego

Napięcie punktu kolanowego (KPV) to parametr krytyczny, charakterystyczny wyłącznie dla przekładników prądowych. Określa on górną granicę użytecznego zakresu pracy przekładnika, zanim jego rdzeń zacznie się nasycać. Wartość ta jest niezbędna do zapewnienia niezawodnego sygnału przekaźnika ochronnego podczas zwarcia wysokoprądowego.

Inżynierowie określają wartość KPV na podstawie krzywej wzbudzenia przekładnika prądowego, która przedstawia zależność wtórnego napięcia wzbudzenia od wtórnego prądu wzbudzenia. „Kolanko” to punkt na tej krzywej, w którym właściwości magnetyczne rdzenia ulegają drastycznej zmianie.

TenNorma IEEE C57.13zapewnia precyzyjną definicję tego punktu. W przypadku tomografii komputerowej rdzenia bez przerwy, punkt załamania to miejsce, w którym styczna do krzywej tworzy kąt 45 stopni z osią poziomą. W przypadku tomografii komputerowej rdzenia z przerwą kąt ten wynosi 30 stopni. Ten konkretny punkt oznacza początek nasycenia.

Gdy przekładnik prądowy pracuje poniżej napięcia punktu kolanowego, jego rdzeń znajduje się w liniowym stanie magnetycznym. Pozwala to na dokładne odwzorowanie prądu zwarciowego dla podłączonego przekaźnika. Jednakże, gdy napięcie wtórne przekroczy wartość KPV, rdzeń wchodzi w stan nasycenia. Nasycenie, często spowodowane dużymi prądami przemiennymi i przesunięciami prądu stałego podczas zwarcia, powoduje, że przekładnik prądowy…impedancja magnetyczna znacznie spadnieTransformator nie jest już w stanie wiernie odzwierciedlać prądu pierwotnego do strony wtórnej.

Związek pomiędzy wartością KPV a niezawodnością zabezpieczenia jest bezpośredni i kluczowy:

• Poniżej punktu kolanowego:Rdzeń przekładnika prądowego działa liniowo. Zapewnia dokładne odwzorowanie prądu zwarciowego w przekaźniku ochronnym.
• Punkt powyżej kolana:Rdzeń ulega nasyceniu. Prowadzi to do znacznego wzrostu prądu magnesującego i nieliniowej pracy, co oznacza, że ​​przekładnik prądowy nie odzwierciedla już dokładnie rzeczywistego prądu zwarciowego.
• Działanie przekaźnika:Przekaźniki zabezpieczające potrzebują dokładnego sygnału do prawidłowego działania. Jeśli przekładnik prądowy ulegnie nasyceniu, zanim przekaźnik będzie mógł podjąć decyzję, może on nie wykryć rzeczywistej wielkości zwarcia, co doprowadzi do opóźnionego zadziałania lub całkowitej awarii.
• Bezpieczeństwo systemu:Dlatego napięcie w punkcie kolanowym przekładnika prądowego musi być odpowiednio wyższe niż maksymalne napięcie wtórne spodziewane podczas zwarcia. Zapewnia to przekaźnikowi niezawodny sygnał, chroniący drogi sprzęt.

Inżynierowie obliczają wymaganą wartość KPV, aby zapewnić, że przekładnik prądowy pozostanie nienasycony w najgorszych warunkach awarii. Uproszczony wzór na to obliczenie to:

Wymagany KPV ≥ Jeśli × (Rct + Rb)

Gdzie:

• If= Maksymalny wtórny prąd zwarciowy (ampery)
• Rct= Rezystancja uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego (Ohm)
• Rb= Całkowite obciążenie przekaźnika, okablowania i połączeń (omy)

Ostatecznie napięcie w punkcie kolanowym stanowi główny wskaźnik zdolności przekładnika prądowego do wypełniania swojej funkcji bezpieczeństwa w warunkach ekstremalnego obciążenia elektrycznego.

Dekodowanie oznaczeń tabliczek znamionowych transformatorów prądowych

Tabliczka znamionowa przekładnika prądowego zawiera zwięzły kod, który definiuje jego możliwości. To alfanumeryczne oznaczenie jest skrótem dla inżynierów, określającym dokładność, zastosowanie i ograniczenia eksploatacyjne podzespołu. Zrozumienie tych kodów jest kluczowe dla wyboru właściwego urządzenia.

Interpretacja klas CT pomiarowych (np. 0,2, 0,5S, 1)

Klasy przekładników prądowych są definiowane przez liczbę reprezentującą maksymalny dopuszczalny błąd procentowy przy prądzie znamionowym. Mniejsza liczba oznacza wyższy stopień precyzji.

• Klasa 1:Nadaje się do ogólnego pomiaru panelowego, w którym wysoka precyzja nie jest wymagana.
• Klasa 0,5:Stosowany w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych w zakresie rozliczeń.
• Klasa 0.2:Wymagane do dokładnego pomiaru przychodów.

Niektóre klasy zawierają literę „S”. Oznaczenie „S” w klasach przekładników prądowych IEC, takich jak 0,2S i 0,5S, oznacza wysoką dokładność. Ta konkretna klasyfikacja jest zazwyczaj stosowana w aplikacjach pomiaru taryfowego, gdzie precyzyjne pomiary są kluczowe, szczególnie w dolnym zakresie prądu.

Interpretacja klas zabezpieczeń CT (np. 5P10, 10P20)

Klasy przekładników prądowych wykorzystują trzyczęściowy kod opisujący ich zachowanie podczas awarii. Typowym przykładem jest5P10.

Wyjaśnienie kodu 5P10:

• 5:Pierwsza liczba to maksymalny błąd złożony w procentach (5%) przy granicy dokładności.
• PLitera „P” w klasyfikacji, takiej jak 5P10, oznacza „klasę ochrony”. Oznacza to, że przekładnik prądowy jest przeznaczony głównie do zastosowań w przekaźnikach ochronnych, a nie do precyzyjnych pomiarów.
• 10:Ta ostatnia wartość to współczynnik graniczny dokładności (ALF). Oznacza to, że przekładnik prądowy zachowa swoją określoną dokładność do prądu zwarciowego 10-krotnie przekraczającego jego wartość znamionową.

Podobnie,10P20klasa CT ma granicę błędu złożonego wynoszącą 10% i współczynnik granicy dokładności wynoszący20W oznaczeniu takim jak 10P20, liczba „20” oznacza współczynnik graniczny dokładności. Współczynnik ten wskazuje, że błąd transformatora pozostanie w dopuszczalnych granicach, gdy prąd będzie 20 razy większy od wartości znamionowej. Ta właściwość jest kluczowa dla zapewnienia prawidłowego działania przekaźników zabezpieczających w warunkach silnego zwarcia.

Przewodnik po aplikacjach: Dopasowywanie tomografii komputerowej do zadania

Wybór odpowiedniego przekładnika prądowego nie jest kwestią preferencji, lecz wymogiem podyktowanym zastosowaniem. Przekładnik pomiarowy CT zapewnia precyzję niezbędną do transakcji finansowych, natomiast przekładnik zabezpieczający CT zapewnia niezawodność wymaganą do bezpieczeństwa aktywów. Zrozumienie, gdzie zastosować każdy typ przekładnika, ma fundamentalne znaczenie dla prawidłowego projektowania i eksploatacji systemu elektrycznego.

Kiedy stosować tomografię komputerową pomiarową

Inżynierowie powinni używać przekładników prądowych CT w każdym zastosowaniu, w którym precyzyjne śledzenie zużycia energii elektrycznej jest priorytetem. Urządzenia te stanowią podstawę precyzyjnego rozliczania i zarządzania energią. Ich konstrukcja stawia na wysoką dokładność w normalnych warunkach obciążenia.

Główne zastosowania przekładników prądowych pomiarowych obejmują:

• Rozliczanie przychodów i taryfZakłady użyteczności publicznej używają przekładników prądowych o wysokiej dokładności (np. klasy 0,2S, 0,5S) do rozliczania klientów indywidualnych, komercyjnych i przemysłowych. Dokładność ta gwarantuje uczciwe i prawidłowe transakcje finansowe.
• Systemy zarządzania energią (EMS):Obiekty wykorzystują te CT do monitorowania zużycia energii w różnych działach lub urządzeniach. Dane te pomagają identyfikować obszary nieefektywnej pracy i optymalizować zużycie energii.
• Analiza jakości energiiAnalizatory jakości energii wymagają dokładnych danych wejściowych do diagnozowania problemów, takich jak harmoniczne i spadki napięcia. Do tych pomiarów, szczególnie w systemach średniego napięcia, kluczowa jest odpowiedź częstotliwościowa przekładnika. Nowoczesne analizatory mogą wymagać wiarygodnych danych.do 9 kHz, wymagające transformatorów zoptymalizowanych pod kątem częstotliwości w celu przechwycenia pełnego spektrum harmonicznych.

Uwaga dotycząca wyboru:Przy wyborze przekładnika prądowego do miernika lub analizatora mocy należy wziąć pod uwagę kilka czynników.

• Zgodność wyjściowa:Wyjście przekładnika prądowego (np. 333 mV, 5 A) musi odpowiadać wymaganiom wejściowym miernika.
• Rozmiar ładunkuZakres natężenia prądu przekładnika prądowego powinien być zgodny z przewidywanym obciążeniem, aby zachować dokładność.
• Sprawność fizyczna:Przekładnik prądowy musi fizycznie przylegać do przewodu. Elastyczne cewki Rogowskiego to praktyczne rozwiązanie w przypadku dużych szyn zbiorczych lub ciasnych przestrzeni.
• Dokładność:W przypadku rozliczeń standardem jest dokładność 0,5% lub większa. Do ogólnego monitorowania 1% może być wystarczające.

Kiedy stosować przekładnik prądowy zabezpieczający

Inżynierowie muszą stosować przekładniki prądowe zabezpieczające wszędzie tam, gdzie głównym celem jest ochrona personelu i sprzętu przed przetężeniami i awariami. Przekładniki te są zaprojektowane tak, aby działały nawet podczas ekstremalnych zjawisk elektrycznych, zapewniając niezawodny sygnał dla przekaźnika zabezpieczającego.

Typowe zastosowania przekładników prądowych zabezpieczających obejmują:

• Zabezpieczenie nadprądowe i ziemnozwarciowe:Te przekładniki prądowe przekazują sygnały do ​​przekaźników (takich jak urządzenie ANSI 50/51), które wykrywają zwarcia fazowe lub doziemne. Przekaźnik następnie wyzwala wyłącznik, aby odizolować zwarcie. W rozdzielnicach średniego napięcia, za pomocą dedykowanegotomografia komputerowa zerowej sekwencjiw przypadku ochrony przed zwarciem doziemnym często zaleca się stosowanie połączenia resztkowegotrójfazowe przekładniki prądowePołączenie resztkowe może powodować fałszywe wyłączenia z powodu nierównomiernego nasycenia podczas rozruchu silnika lub zwarć faz.
• Zabezpieczenie różnicowe:Ten system chroni główne zasoby, takie jak transformatory i generatory, poprzez porównywanie prądów wpływających i wypływających ze strefy chronionej. Wymaga on dopasowanych zestawów przekładników prądowych zabezpieczających.Nowoczesne przekaźniki cyfrowemoże kompensować różne połączenia CT (gwiazda lub trójkąt) i przesunięcia fazowe poprzez ustawienia oprogramowania, zapewniając znaczną elastyczność w tych skomplikowanych schematach.
• Ochrona odległości:Stosowany w liniach przesyłowych, ten układ opiera się na zabezpieczeniu przekładników prądowych (CT) w celu pomiaru impedancji do miejsca zwarcia. Nasycenie przekładnika prądowego może zakłócić ten pomiar, powodując błędną ocenę lokalizacji zwarcia przez przekaźnik. Dlatego przekładnik prądowy musi być zaprojektowany tak, aby uniknąć nasycenia przez cały czas pomiaru.

Zgodnie z normą ANSI C57.13 standardowy ochronny CT musi wytrzymać do20 razyjego znamionowy prąd podczas awarii. Dzięki temu może dostarczyć użyteczny sygnał do przekaźnika w najbardziej odpowiednim momencie.

Wysoki koszt nieprawidłowego wyboru

Użycie niewłaściwego typu przekładnika prądowego to poważny błąd o poważnych konsekwencjach. Różnice funkcjonalne między przekładnikami prądowymi pomiarowymi a przekładnikami ochronnymi nie są zamienne, a niedopasowanie może prowadzić do niebezpiecznych i kosztownych skutków.

• Wykorzystanie przekładnika prądowego pomiarowego w celach ochronnych: To najniebezpieczniejszy błąd. Przekładnik prądowy pomiarowy jest zaprojektowany tak, aby nasycał się przy niskich przetężeniach, aby chronić licznik. Podczas poważnego zwarcia nasyca się niemal natychmiast. Nasycony przekładnik prądowy nie będzie w stanie odtworzyć wysokiego prądu zwarciowego, a przekaźnik zabezpieczający nie będzie w stanie wykryć rzeczywistej wielkości zdarzenia. Może to doprowadzić do opóźnionego zadziałania lub całkowitej awarii, co może skutkować katastrofalnym uszkodzeniem sprzętu, pożarem i zagrożeniem dla personelu. Na przykład, nasycenie przekładnika prądowego może spowodować zadziałanie przekaźnika zabezpieczenia różnicowego transformatora.źle operować, co prowadzi do niepożądanego zadziałania podczas usterki zewnętrznej.
• Wykorzystanie przekładnika prądowego zabezpieczającego do pomiaru:Ten wybór prowadzi do niedokładności finansowych. Przekładnik prądowy z zabezpieczeniem CT nie jest zaprojektowany z myślą o precyzji przy normalnym prądzie roboczym. Jego klasa dokładności (np. 5P10) gwarantuje wydajność przy wysokich wielokrotnościach jego wartości znamionowej, a nie w dolnym zakresie skali, w którym działa większość systemów. Używanie go do rozliczeń byłoby jak mierzenie ziarenka piasku miarką. W rezultacie rachunki za energię byłyby niedokładne, co prowadziłoby do utraty dochodów przez przedsiębiorstwo energetyczne lub naliczania zbyt wysokich opłat konsumentom.

Scenariusz awarii krytycznej:W układach zabezpieczeń odległościowych nasycenie przekładnika prądowego powoduje, że przekaźnik mierzywyższa impedancjaniż wartość rzeczywista. To skutecznie skraca zasięg ochronny przekaźnika. Usterka, która powinna zostać natychmiast usunięta, może być postrzegana jako usterka bardziej odległa, powodując opóźnione zadziałanie. To opóźnienie wydłuża obciążenie instalacji elektrycznej i zwiększa ryzyko rozległych uszkodzeń.

Ostatecznie koszt nieprawidłowego doboru tomografu komputerowego znacznie przekracza cenę samego podzespołu. Objawia się zniszczeniem sprzętu, przestojami w pracy, niedokładną ewidencją finansową i zagrożeniem bezpieczeństwa.

Czy jeden tomograf komputerowy może pełnić funkcję pomiarową i zabezpieczającą?

Chociaż przekładniki prądowe pomiarowe i zabezpieczające mają odmienną konstrukcję, inżynierowie czasami potrzebują jednego urządzenia do realizacji obu funkcji. Ta potrzeba doprowadziła do opracowania specjalistycznych transformatorów o podwójnym przeznaczeniu, ale wiążą się one z pewnymi kompromisami.

Dwufunkcyjny (klasa X) CT

Specjalna kategoria, znana jakoTransformator prądowy klasy X lub klasy PS, mogą pełnić zarówno funkcję pomiarową, jak i zabezpieczającą. Urządzenia te nie są definiowane przez standardowe klasy dokładności, takie jak 5P10. Zamiast tego, ich wydajność jest określana przez zestaw kluczowych parametrów, które inżynier wykorzystuje do weryfikacji ich przydatności do konkretnego systemu zabezpieczeń.

Zgodnie z normami IECwydajność przekładnika prądowego klasy X jest definiowana przez:

• Prąd pierwotny znamionowy
• Stosunek obrotów
• Napięcie punktu kolanowego (KPV)
• Prąd magnesujący przy określonym napięciu
• Rezystancja uzwojenia wtórnego w temp. 75°C

Te cechy pozwalają urządzeniu zapewnić wysoką dokładność pomiaru w normalnych warunkach, a jednocześnie zapewnić przewidywalne napięcie punktu kolanowego, co gwarantuje niezawodną pracę przekaźnika w przypadku awarii. Są one często stosowane w układach zabezpieczeń różnicowoprądowych o wysokiej impedancji, gdzie wymagana jest precyzyjna znajomość parametrów.

Praktyczne ograniczenia i kompromisy

Pomimo istnienia przekładników prądowych klasy X, często unika się stosowania jednego urządzenia zarówno do pomiaru, jak i ochrony. Te dwie funkcje mają zasadniczo sprzeczne wymagania.

Przekładnik prądowy pomiarowy jest zaprojektowany tak, aby nasycić się wcześnie w celu ochrony wrażliwych liczników.CT ochronny jest zaprojektowanyaby przeciwdziałać nasyceniu, zapewniając przekaźnikowi możliwość wykrycia usterki. Dwufunkcyjny przekładnik prądowy musi łączyć te dwa przeciwstawne cele.

Ten kompromis oznacza, że ​​dwufunkcyjny przekładnik prądowy (CT) może nie wykonywać żadnego z tych zadań tak dobrze, jak jednostka dedykowana. Konstrukcja staje się bardziej złożona i kosztowna. W większości zastosowań instalacja dwóch oddzielnych, specjalistycznych przekładników prądowych – jednego do pomiaru i jednego do zabezpieczenia – jest bardziej niezawodnym i ekonomicznym rozwiązaniem. Takie podejście gwarantuje, że obasystem rozliczeniowya system bezpieczeństwa działa bezkompromisowo.

---

Wybór pomiędzyprzekładniki prądowe pomiarowe i zabezpieczająceDecyzja jest jednoznaczna i opiera się na priorytetach operacyjnych. Jeden zapewnia precyzję rozliczeń, a drugi niezawodność w przypadku awarii. Wybór właściwego typu jest niepodważalny ze względu na bezpieczeństwo systemu, dokładność finansową i trwałość sprzętu. Inżynierowie muszą zawsze porównywać specyfikację przekładnika prądowego z potrzebami podłączonego urządzenia.

Aostateczna lista kontrolna weryfikacjizawiera:

1. Określ prąd pierwotny:Dopasuj współczynnik CT do maksymalnego obciążenia.
2. Oblicz obciążenie:Zsumuj obciążenie wszystkich podłączonych komponentów.
3. Sprawdź klasę dokładności:Wybierz odpowiednią klasę pomiaru lub ochrony.

Często zadawane pytania

Co się stanie, jeżeli obwód wtórny przekładnika prądowego pozostanie otwarty?

Otwarty obwód wtórny wytwarza niebezpieczne wysokie napięcie. Prąd pierwotny staje się prądem magnesującym, nasycając rdzeń. Taka sytuacja może uszkodzić przekładnik prądowy i stwarza poważne ryzyko porażenia prądem.

Bezpieczeństwo przede wszystkim:Zawsze należy zewrzeć zaciski wtórne przed odłączeniem jakiegokolwiek urządzenia od obwodu.

Jak inżynierowie dobierają właściwy współczynnik CT?

Inżynierowie dobierają stosunek, w którym normalny maksymalny prąd systemu jest zbliżony do prądu znamionowego przekładnika prądowego. Taki wybór zapewnia pracę przekładnika w jego najdokładniejszym zakresie. Na przykład obciążenie 90 A dobrze współpracuje z przekładnikiem prądowym 100:5 A.

Dlaczego przekładnik prądowy nie jest bezpieczny dla ochrony?

Przekładnik prądowy pomiarowy szybko ulega nasyceniu podczas zwarcia. Nie jest w stanie przekazać rzeczywistego prądu zwarciowego do przekaźnika zabezpieczającego. W rezultacie przekaźnik nie wyzwala wyłącznika, co prowadzi do zniszczenia sprzętu i poważnych zagrożeń bezpieczeństwa.

Czy jeden przekładnik prądowy może pełnić funkcję zarówno pomiarową, jak i zabezpieczającą?

Specjalne przekładniki prądowe klasy X mogą pełnić obie role, ale ich konstrukcja jest kompromisem. Dla optymalnego bezpieczeństwa i dokładności inżynierowie zazwyczaj instalują dwa oddzielne, dedykowane przekładniki prądowe – jeden do pomiaru, a drugi do zabezpieczenia.