Практическое сравнение трансформаторов тока для измерения и защиты

Точность защиты CTТочность защитного ТТ определяется не точностью выставления счетов, а предсказуемостью работы во время короткого замыкания. Его точность определяется «полной погрешностью» при заданном кратном значении номинального тока. Распространенный класс защиты:5П10.Это обозначение разбивается следующим образом::

• 5: Общая погрешность не превысит 5% на пределе точности.
• P: Эта буква обозначает класс защиты CT.
• 10: Это коэффициент предельной точности (ALF). Он означает, что трансформатор тока будет сохранять указанную точность при токе, в 10 раз превышающем номинальный первичный ток.

Короче говоря, трансформатор тока 5P10 гарантирует, что когда первичный ток в 10 раз превышает номинальный, сигнал, подаваемый на реле, все еще находится в пределах 5% от идеального значения, гарантируя, что реле примет правильное решение об отключении.

Нагрузка и рейтинг VA

ГрузОбщая электрическая нагрузка, подключенная к вторичным клеммам трансформатора тока, измеряемая в вольт-амперах (ВА) или омах (Ом). Каждое устройство и провод, подключенные к трансформатору тока, вносят свой вклад в эту нагрузку. Превышение номинальной нагрузки трансформатора тока приведет к снижению его точности.

Общая нагрузка составляетсумма импедансов всех компонентовво вторичной цепи:

• Сопротивление собственной вторичной обмотки трансформатора тока.
• Сопротивление проводов, соединяющих ТТ с устройством.
• Внутреннее сопротивление подключенного устройства (счетчика или реле).

Расчет общей нагрузки:Инженер может рассчитать общую нагрузку по формуле:Общая нагрузка (Ом) = Обмотка ТТ R (Ом) + Провод R (Ом) + Устройство Z (Ом)Например, если сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока составляет 0,08 Ом, сопротивление соединительных проводов — 0,3 Ом, а сопротивление реле — 0,02 Ом, то общая нагрузка цепи составит 0,4 Ом. Для корректной работы трансформатора тока это значение должно быть меньше его номинальной нагрузки.

Измерительные трансформаторы тока обычно имеют низкую номинальную мощность (например, 2,5 ВА, 5 ВА), поскольку подключаются к высокоомным и малопотребляющим измерительным приборам на коротких расстояниях. Защитные трансформаторы тока требуют гораздо более высокой мощности (например, 15 ВА, 30 ВА), поскольку они должны обеспечивать достаточную мощность для питания низкоомных и высокопотребляющих катушек защитного реле, часто по гораздо более длинным кабелям. Неправильное соответствие номинальной нагрузки трансформатора тока фактической нагрузке цепи является распространённой причиной ошибок как в системах учёта, так и в системах защиты.

Понимание напряжения точки перегиба

Напряжение точки перегиба (KPV) — критически важный параметр, характерный только для защитных ТТ. Оно определяет верхний предел рабочего диапазона ТТ, при котором его сердечник не начинает насыщаться. Это значение необходимо для обеспечения получения защитным реле надёжного сигнала при сильноточном коротком замыкании.

Инженеры определяют КПД по кривой возбуждения трансформатора тока, которая отображает зависимость вторичного напряжения возбуждения от вторичного тока возбуждения. «Перегиб» — это точка на этой кривой, где магнитные свойства сердечника резко меняются.

TheСтандарт IEEE C57.13Даётся точное определение этой точки. Для трансформатора тока без зазора точка перегиба находится там, где касательная к кривой образует угол 45 градусов с горизонтальной осью. Для трансформатора тока с зазором этот угол составляет 30 градусов. Эта точка отмечает начало насыщения.

Когда ТТ работает при напряжении ниже точки перегиба, его сердечник находится в линейном магнитном состоянии. Это позволяет ему точно воспроизводить ток короткого замыкания для подключенного реле. Однако, как только вторичное напряжение превышает KPV, сердечник входит в насыщение. Насыщение, часто вызванное большими переменными токами и постоянными смещениями во время короткого замыкания, приводит к тому, что ТТ…сопротивление намагничивания значительно снизитсяТрансформатор больше не может точно передавать первичный ток на вторичную обмотку.

Связь между КПВ и надежностью защиты прямая и решающая:

• Ниже колена:Сердечник трансформатора тока работает линейно. Он обеспечивает точное отображение тока короткого замыкания для защитного реле.
• Выше коленной точки:Сердечник насыщается. Это приводит к значительному увеличению тока намагничивания и нелинейной работе, в результате чего ТТ перестает точно отражать истинный ток короткого замыкания.
• Работа реле:Для корректной работы защитных реле необходим точный сигнал. Если трансформатор тока насыщается до того, как реле успевает принять решение, оно может не определить истинную величину неисправности, что приведет к задержке срабатывания или полному отказу.
• Безопасность системы:Следовательно, напряжение точки перегиба трансформатора тока должно быть значительно выше максимального вторичного напряжения, ожидаемого в случае короткого замыкания. Это гарантирует получение реле надёжного сигнала для защиты дорогостоящего оборудования.

Инженеры рассчитывают требуемый КПД, чтобы гарантировать ненасыщенность трансформатора тока в условиях наихудшего варианта неисправности. Упрощённая формула для этого расчёта выглядит следующим образом:

Требуемый KPV ≥ If × (Rct + Rb)

Где:

• If= Максимальный вторичный ток короткого замыкания (А)
• Ркт= Сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока (Ом)
• Rb= Общая нагрузка реле, проводки и соединений (Ом)

В конечном счете, напряжение точки перегиба служит основным показателем способности защитного трансформатора тока выполнять свою функцию безопасности в условиях экстремального электрического напряжения.

Расшифровка обозначений на паспортной табличке трансформатора тока

На паспортной табличке трансформатора тока указан краткий код, определяющий его эксплуатационные характеристики. Это буквенно-цифровое обозначение используется инженерами в качестве краткого обозначения точности, области применения и эксплуатационных ограничений компонента. Понимание этих кодов необходимо для выбора правильного устройства.

Интерпретация классов измерений КТ (например, 0.2, 0.5S, 1)

Классы измерительных трансформаторов тока определяются числом, представляющим собой максимально допустимую процентную погрешность при номинальном токе. Чем меньше число, тем выше точность.

• Класс 1:Подходит для общих панельных измерений, где высокая точность не имеет решающего значения.
• Класс 0.5:Используется для коммерческих и промышленных биллинговых приложений.
• Класс 0.2:Требуется для высокоточного учета доходов.

Некоторые классы включают букву «S». Обозначение «S» в классах измерительных трансформаторов тока МЭК, таких как 0.2S и 0.5S, означает высокую точность. Эта классификация обычно используется в системах учета электроэнергии, где точность измерений критически важна, особенно в нижней части диапазона тока.

Интерпретация классов защиты CT (например, 5P10, 10P20)

Классы защиты ТТ используют трёхкомпонентный код, описывающий их поведение при неисправности. Типичный пример:5П10.

Разбор кода 5P10:

• 5: Первое число представляет собой максимальную суммарную погрешность в процентах (5%) на пределе точности.
• P: Буква «P» в классификации, например, 5P10, обозначает «класс защиты». Это указывает на то, что трансформатор тока предназначен в первую очередь для релейной защиты, а не для точных измерений.
• 10: Последнее число — это коэффициент предельной точности (ALF). Он означает, что ТТ сохранит заявленную точность до тока короткого замыкания, превышающего номинальный в 10 раз.

Аналогично,10П20Класс CT имеет предел общей погрешности 10% и предельный фактор точности20В обозначении типа 10P20 число «20» обозначает предел точности. Этот коэффициент указывает на то, что погрешность трансформатора останется в допустимых пределах при токе, в 20 раз превышающем номинальный. Эта характеристика критически важна для обеспечения корректной работы защитных реле в условиях тяжёлых коротких замыканий.

Руководство по применению: Соответствие КТ задаче

Выбор подходящего трансформатора тока — это не вопрос предпочтений, а требование, диктуемое областью применения. Измерительный трансформатор тока обеспечивает точность, необходимую для финансовых транзакций, а защитный — надежность, необходимую для обеспечения безопасности активов. Понимание области применения каждого типа имеет основополагающее значение для надёжного проектирования и эксплуатации электросистемы.

Когда использовать измерительную КТ

Инженерам следует использовать измерительный трансформатор тока в любых приложениях, где точный отслеживание потребления электроэнергии является основной целью. Эти устройства являются основой точного биллинга и управления энергопотреблением. Их конструкция ориентирована на высокую точность при нормальной нагрузке.

Основные области применения измерительных компьютерных томографов включают:

• Учет доходов и тарифов: Коммунальные предприятия используют высокоточные трансформаторы тока (например, класса 0.2S, 0.5S) для выставления счетов жилым, коммерческим и промышленным потребителям. Точность обеспечивает честность и корректность финансовых операций.
• Системы управления энергией (EMS): На предприятиях эти ТТ используются для мониторинга энергопотребления в различных отделах или на разных единицах оборудования. Эти данные помогают выявлять неэффективные ситуации и оптимизировать энергопотребление.
• Анализ качества электроэнергииАнализаторы качества электроэнергии требуют точных входных данных для диагностики таких проблем, как гармоники и провалы напряжения. Для этих измерений, особенно в системах среднего напряжения, критически важна частотная характеристика измерительного трансформатора. Современным анализаторам могут потребоваться надежные данные.до 9 кГц, требующие оптимизированных по частоте трансформаторов для захвата полного спектра гармоник.

Примечание по выбору:При выборе ТТ для измерителя или анализатора мощности решающее значение имеют несколько факторов.

• Совместимость выходных данных: Выходной сигнал ТТ (например, 333 мВ, 5 А) должен соответствовать входным требованиям счетчика.
• Размер загрузки: Диапазон силы тока ТТ должен соответствовать ожидаемой нагрузке для поддержания точности.
• Физическая подготовка: ТТ должен физически облегать проводник. Гибкие пояса Роговского — практичное решение для больших шин или ограниченных пространств.
• Точность: Для выставления счетов стандартной является точность 0,5% или выше. Для общего мониторинга может быть достаточно 1%.

Когда использовать защитный CT

Инженеры должны использовать трансформатор тока защиты везде, где основной целью является защита персонала и оборудования от перегрузок по току и неисправностей. Эти трансформаторы тока предназначены для сохранения работоспособности в экстремальных электрических ситуациях, обеспечивая надёжный сигнал для защитного реле.

Наиболее распространённые области применения защитных трансформаторов тока:

• Защита от сверхтоков и замыканий на землю: Эти трансформаторы тока подают сигналы на реле (например, ANSI Device 50/51), которые обнаруживают замыкания фаз или заземления. Затем реле отключает автоматический выключатель, чтобы изолировать место замыкания. В распределительных устройствах среднего напряжения, используя специальныйтрансформатор тока нулевой последовательностиДля защиты от замыкания на землю часто рекомендуется использовать остаточное соединениетрехфазные трансформаторы токаОстаточное соединение может привести к ложным срабатываниям из-за неравномерного насыщения при пуске двигателя или замыканиях фаз.
• Дифференциальная защита: Эта схема защищает основные активы, такие как трансформаторы и генераторы, путём сравнения токов, входящих и выходящих из защищаемой зоны. Для неё требуются согласованные комплекты защитных трансформаторов тока.Современные цифровые релеможет компенсировать различные соединения ТТ (звезда или треугольник) и сдвиги фаз с помощью настроек программного обеспечения, обеспечивая значительную гибкость в этих сложных схемах.
• Дистанционная защита: Эта схема, используемая в линиях электропередачи, использует защитные трансформаторы тока для измерения сопротивления до места повреждения. Насыщение ТТ может исказить результаты измерения, что приведёт к неверному определению места повреждения реле. Поэтому ТТ должен быть спроектирован таким образом, чтобы исключить насыщение в течение всего времени измерения.

Согласно ANSI C57.13, стандартный защитный трансформатор тока должен выдерживать до20 разноминальный ток при коротком замыкании. Это гарантирует подачу полезного сигнала на реле в самый ответственный момент.

Высокая цена неправильного выбора

Использование неподходящего типа ТТ — критическая ошибка с серьёзными последствиями. Функциональные различия между измерительными и защитными ТТ не являются взаимозаменяемыми, и несоответствие может привести к опасным и дорогостоящим последствиям.

• Использование измерительного трансформатора тока для защиты: Это самая опасная ошибка. Измерительный трансформатор тока рассчитан на насыщение при низких токах перегрузки для защиты счётчика. При серьёзном коротком замыкании он насыщается практически мгновенно. Насыщенный ТТ не сможет воспроизвести высокий ток короткого замыкания, и защитное реле не сможет определить истинную величину события. Это может привести к задержке срабатывания или полному отказу, что приведёт к серьёзному повреждению оборудования, пожару и риску для персонала. Например, насыщение ТТ может привести к срабатыванию дифференциальной защиты трансформатора.неправильно оперировать, что приводит к нежелательному отключению при внешней неисправности.
• Использование защитного трансформатора тока для измерений: Такой выбор приводит к финансовой неточности. Защитный трансформатор тока не рассчитан на точность при нормальных рабочих токах. Его класс точности (например, 5P10) гарантирует работоспособность при токах, кратных его номиналу, а не на нижнем пределе шкалы, где работает большинство систем. Использовать его для выставления счетов — всё равно что измерять песчинку линейкой. В результате счета за электроэнергию будут неточными, что приведёт к потере дохода для коммунальной компании или завышению тарифов для потребителя.

Сценарий критического отказа:В схемах дистанционной защиты насыщение ТТ приводит к тому, что реле измеряетболее высокий импедансчем фактическое значение. Это фактически сокращает зону действия защиты реле. Неисправность, которая должна быть устранена мгновенно, может быть воспринята как более удалённая неисправность, что приведёт к задержке срабатывания. Эта задержка увеличивает нагрузку на электрическую систему и увеличивает вероятность масштабного повреждения.

В конечном счёте, стоимость неправильного выбора ТТ выходит далеко за рамки стоимости самого компонента. Она проявляется в разрушении оборудования, простоях, неточной финансовой отчётности и снижении безопасности.

Может ли один ТТ выполнять и функцию измерения, и функцию защиты?

Хотя измерительные и защитные трансформаторы тока имеют различную конструкцию, инженерам иногда требуется одно устройство для выполнения обеих функций. Эта потребность привела к разработке специализированных трансформаторов двойного назначения, но они имеют определённые недостатки.

CT двойного назначения (класс X)

Особая категория, известная какТрансформатор тока класса X или PS, могут выполнять как измерительные, так и защитные функции. Эти устройства не определяются стандартными классами точности, такими как 5P10. Вместо этого их характеристики определяются набором ключевых параметров, которые инженер использует для проверки их пригодности для конкретной схемы защиты.

Согласно стандартам МЭКпроизводительность трансформатора тока класса X определяется:

• Номинальный первичный ток
• Коэффициент трансформации
• Напряжение точки перегиба (КПВ)
• Ток намагничивания при заданном напряжении
• Сопротивление вторичной обмотки при 75°C

Эти характеристики позволяют устройству обеспечивать высокую точность измерений в нормальных условиях, а также предсказуемое напряжение точки перегиба для надежной работы реле при коротких замыканиях. Они часто используются в высокоомных дифференциальных защитах, где характеристики должны быть точно известны.

Практические ограничения и компромиссы

Несмотря на существование трансформаторов тока класса X, часто избегают использования одного устройства для измерения и защиты. Эти две функции имеют принципиально противоречивые требования.

Измерительный трансформатор тока предназначен для раннего насыщения с целью защиты чувствительных счетчиков.защита CT разработанадля предотвращения насыщения, чтобы реле могло обнаружить неисправность. ТТ двойного назначения должен найти компромисс между этими двумя противоположными целями.

Этот компромисс означает, что трансформатор тока двойного назначения может не справиться ни с одной из этих задач так же хорошо, как специализированное устройство. Конструкция становится сложнее и дороже. Для большинства применений установка двух отдельных специализированных трансформаторов тока — одного для учета и одного для защиты — является более надежным и экономичным решением. Такой подход гарантирует, что обабиллинговая системаи система безопасности работают без компромиссов.

---

Выбор междуизмерительные и защитные трансформаторы токаЭто чёткое решение, основанное на эксплуатационных приоритетах. Первое обеспечивает точность выставления счётов, а второе — надёжность в случае неисправности. Выбор правильного типа не подлежит обсуждению для безопасности системы, финансовой точности и долговечности оборудования. Инженеры всегда должны сверять характеристики ТТ с потребностями подключенного устройства.

Аконтрольный список окончательной проверкивключает в себя:

1. Определить первичный ток: Соотношение трансформаторов тока должно соответствовать максимальной нагрузке.
2. Рассчитать нагрузку: Суммируем нагрузку всех подключенных компонентов.
3. Проверить класс точности: Выберите правильный класс для учета или защиты.

Часто задаваемые вопросы

Что произойдет, если вторичная цепь трансформатора тока останется разомкнутой?

Разомкнутая вторичная цепь создаёт опасно высокое напряжение. Первичный ток становится током намагничивания, насыщая сердечник. Это состояние может привести к разрушению трансформатора тока и создать серьёзный риск поражения электрическим током.

Безопасность прежде всего:Перед отключением любого прибора от цепи всегда замыкайте накоротко вторичные клеммы.

Как инженеры выбирают правильное соотношение ТТ?

Инженеры выбирают коэффициент, при котором номинальный максимальный ток системы близок к номиналу первичной обмотки трансформатора тока. Такой выбор обеспечивает работу трансформатора тока в максимально точном диапазоне. Например, нагрузка 90 А хорошо работает с трансформатором тока 100:5 А.

Почему измерительный ТТ небезопасен для защиты?

Измерительный трансформатор тока быстро насыщается во время короткого замыкания. Он не может передать истинный ток короткого замыкания защитному реле. В результате реле не срабатывает, что приводит к повреждению оборудования и серьёзным угрозам безопасности.

Может ли один ТТ выполнять функции и учета, и защиты?

Специальные трансформаторы тока класса X могут выполнять обе функции, но их конструкция представляет собой компромисс. Для оптимальной безопасности и точности инженеры обычно устанавливают два отдельных специализированных трансформатора тока: один для измерения, а другой для защиты.