Praktické porovnanie prúdových transformátorov na meranie a ochranu

Presnosť ochrany CTPresnosť ochranného prúdového transformátora nie je o presnom fakturovaní, ale o predvídateľnom výkone počas poruchy. Jeho presnosť je definovaná „zloženou chybou“ pri špecifikovanom násobku jeho menovitého prúdu. Bežná trieda ochrany je5P10.Toto označenie sa rozdeľuje nasledovne:

• 5Zložená chyba nepresiahne 5 % na hranici presnosti.
• PToto písmeno ho označuje ako ochrannú triedu CT.
• 10Toto je medzný faktor presnosti (ALF). Znamená to, že prúdový transformátor si zachová svoju špecifikovanú presnosť až do 10-násobku svojho menovitého primárneho prúdu.

Stručne povedané, 5P10 CT zaručuje, že keď je primárny prúd 10-násobkom jeho normálneho menovitého prúdu, signál odoslaný do relé je stále v rozmedzí 5 % ideálnej hodnoty, čím sa zabezpečí, že relé vykoná správne rozhodnutie o vypnutí.

Hodnotenie záťaže a VA

Záťažje celkové elektrické zaťaženie pripojené k sekundárnym svorkám prúdového transformátora, merané vo voltampéroch (VA) alebo ohmoch (Ω). Každé zariadenie a vodič pripojený k prúdovému transformátoru prispieva k tomuto zaťaženiu. Prekročenie menovitého zaťaženia prúdového transformátora zníži jeho presnosť.

Celková záťaž jesúčet impedancií všetkých komponentovv sekundárnom okruhu:

• Vlastný odpor sekundárneho vinutia prúdového transformátora.
• Odpor prívodných vodičov spájajúcich CT so zariadením.
• Vnútorná impedancia pripojeného zariadenia (merača alebo relé).

Výpočet celkovej záťaže:Inžinier môže vypočítať celkovú záťaž pomocou vzorca:Celkové zaťaženie (Ω) = vinutie CT R (Ω) + drôt R (Ω) + zariadenie Z (Ω)Napríklad, ak je odpor sekundárneho vinutia prúdového transformátora 0,08 Ω, pripojovacie vodiče majú odpor 0,3 Ω a relé má impedanciu 0,02 Ω, celkové zaťaženie obvodu je 0,4 Ω. Táto hodnota musí byť menšia ako menovité zaťaženie prúdového transformátora, aby správne fungoval.

Meracie prúdové transformátory majú zvyčajne nízke menovité hodnoty VA (napr. 2,5 VA, 5 VA), pretože sa pripájajú k meracím zariadeniam s vysokou impedanciou a nízkou spotrebou na krátke vzdialenosti. Ochranné prúdové transformátory vyžadujú oveľa vyššie menovité hodnoty VA (napr. 15 VA, 30 VA), pretože musia dodávať dostatok energie na prevádzku cievok ochranného relé s nižšou impedanciou a vyššou spotrebou, často na oveľa dlhších káblových trasách. Nesprávne prispôsobenie menovitej záťaže prúdového transformátora skutočnému zaťaženiu obvodu je bežným zdrojom chýb v meracích aj ochranných schémach.

Pochopenie napätia v bode kolena

Napätie v bode kolena (KPV) je kritický parameter určený výhradne pre ochranné prúdové transformátory prúdu. Definuje hornú hranicu užitočného prevádzkového rozsahu prúdového transformátora predtým, ako sa jeho jadro začne saturovať. Táto hodnota je nevyhnutná na zabezpečenie spoľahlivého príjmu signálu ochranným relé počas poruchy s vysokým prúdom.

Inžinieri určujú KPV z budiacej krivky prúdového transformátora, ktorá zobrazuje sekundárne budiace napätie oproti sekundárnemu budiacemu prúdu. „Koleno“ je bod na tejto krivke, kde sa magnetické vlastnosti jadra dramaticky menia.

Ten/Tá/ToNorma IEEE C57.13poskytuje presnú definíciu tohto bodu. Pre CT snímku bez medzery je bod ohybu miesto, kde dotyčnica krivky zviera s horizontálnou osou uhol 45 stupňov. Pre CT snímku s medzerou je tento uhol 30 stupňov. Tento špecifický bod označuje začiatok saturácie.

Keď prúdový transformátor pracuje pod napätím v bode kolena, jeho jadro je v lineárnom magnetickom stave. To mu umožňuje presne reprodukovať poruchový prúd pre pripojené relé. Akonáhle však sekundárne napätie prekročí hodnotu KPV, jadro sa dostane do saturácie. Saturácia, často spôsobená veľkými striedavými prúdmi a jednosmernými ofsetmi počas poruchy, spôsobuje, že prúdový transformátor...magnetizačná impedancia výrazne klesneTransformátor už nedokáže verne odrážať primárny prúd na svoju sekundárnu stranu.

Vzťah medzi KPV a spoľahlivosťou ochrany je priamy a kľúčový:

• Pod bodom kolena:Jadro CT pracuje lineárne. Poskytuje presnú reprezentáciu poruchového prúdu pre ochranné relé.
• Nad bodom kolena:Jadro sa nasýti. To vedie k veľkému nárastu magnetizačného prúdu a nelineárnej prevádzke, čo znamená, že prúdový transformátor už presne neodráža skutočný poruchový prúd.
• Prevádzka relé:Ochranné relé potrebujú na správnu činnosť presný signál. Ak dôjde k saturácii prúdového transformátora skôr, ako relé dokáže rozhodnúť, relé nemusí zistiť skutočnú veľkosť poruchy, čo vedie k oneskorenému vypnutiu alebo úplnému zlyhaniu činnosti.
• Bezpečnosť systému:Preto musí byť napätie v bode prepätia prúdového transformátora dostatočne vyššie ako maximálne sekundárne napätie očakávané počas poruchy. To zabezpečuje, že relé bude prijímať spoľahlivý signál na ochranu drahého zariadenia.

Inžinieri vypočítavajú požadovaný KPV, aby zabezpečili, že prúdový transformátor zostane nenasýtený aj za najhorších podmienok poruchy. Zjednodušený vzorec pre tento výpočet je:

Požadovaná KPV ≥ Ak × (Rct + Rb)

Kde:

• If= Maximálny sekundárny poruchový prúd (A)
• Pravá strana= odpor sekundárneho vinutia CT (ohmy)
• Rb= Celková záťaž relé, kabeláže a pripojení (ohmy)

V konečnom dôsledku slúži napätie v bode kolena ako primárny indikátor schopnosti ochranného prúdového transformátora vykonávať svoju bezpečnostnú funkciu pri extrémnom elektrickom namáhaní.

Dekódovanie označení na typovom štítku transformátora prúdu

Typový štítok prúdového transformátora obsahuje kompaktný kód, ktorý definuje jeho výkonnostné možnosti. Toto alfanumerické označenie je skrátený jazyk pre inžinierov, ktorý špecifikuje presnosť, použitie a prevádzkové limity komponentu. Pochopenie týchto kódov je nevyhnutné pre výber správneho zariadenia.

Interpretácia meraní tried CT (napr. 0,2, 0,5S, 1)

Triedy meracích transformátorov prúdu sú definované číslom, ktoré predstavuje maximálnu povolenú percentuálnu chybu pri menovitom prúde. Menšie číslo označuje vyšší stupeň presnosti.

• Trieda 1:Vhodné pre všeobecné panelové meranie, kde vysoká presnosť nie je kritická.
• Trieda 0,5:Používa sa na komerčné a priemyselné fakturačné aplikácie.
• Trieda 0.2:Vyžaduje sa pre vysoko presné meranie príjmov.

Niektoré triedy obsahujú písmeno „S“. Označenie „S“ v triedach meracích prúdových transformátorov podľa IEC, ako napríklad 0,2S a 0,5S, znamená vysokú presnosť. Táto konkrétna klasifikácia sa vo všeobecnosti používa v aplikáciách tarifného merania, kde sú presné merania kritické, najmä na spodnej hranici rozsahu prúdu.

Interpretácia tried ochrany CT (napr. 5P10, 10P20)

Triedy ochranných prúdových transformátorov používajú trojdielny kód, ktorý opisuje ich správanie počas poruchy. Bežným príkladom je5P10.

Rozbor kódexu 5P10:

• 5Toto prvé číslo predstavuje maximálnu zloženú chybu v percentách (5 %) na hranici presnosti.
• PPísmeno „P“ v klasifikácii, ako napríklad 5P10, označuje „triedu ochrany“. To znamená, že prúdový transformátor je primárne určený na aplikácie ochranného relé a nie na presné meranie.
• 10Toto posledné číslo je medzný faktor presnosti (ALF). Znamená to, že prúdový transformátor si zachová svoju špecifikovanú presnosť až do poruchy, ktorá je 10-násobkom jeho menovitého prúdu.

Podobne, a10P20Trieda CT má zložený limit chyby 10 % a faktor limitu presnosti20V označení ako 10P20 číslo „20“ označuje medzný faktor presnosti. Tento faktor naznačuje, že chyba transformátora zostane v prijateľných medziach, keď je prúd 20-násobkom jeho menovitej hodnoty. Táto schopnosť je kľúčová pre zabezpečenie správnej funkcie ochranných relé počas silných skratových podmienok.

Sprievodca aplikáciou: Prispôsobenie CT úlohe

Výber vhodného prúdového transformátora nie je otázkou preferencie, ale požiadavkou danou aplikáciou. Merací prúdový transformátor poskytuje presnosť potrebnú pre finančné transakcie, zatiaľ čo ochranný prúdový transformátor poskytuje spoľahlivosť potrebnú pre bezpečnosť majetku. Pochopenie toho, kde použiť každý typ, je základom pre spoľahlivý návrh a prevádzku elektrického systému.

Kedy použiť merací CT

Inžinieri by mali používať merací prúdový transformátor v každej aplikácii, kde je primárnym cieľom presné sledovanie spotreby elektrickej energie. Tieto zariadenia sú základom presnej fakturácie a riadenia energie. Ich konštrukcia uprednostňuje vysokú presnosť za normálnych podmienok zaťaženia.

Medzi kľúčové aplikácie meracích prúdových transformátorov patria:

• Meranie príjmov a tarífDodávatelia energií používajú na fakturáciu rezidenčných, komerčných a priemyselných zákazníkov vysoko presné prúdové transformátory (napr. triedy 0,2S, 0,5S). Presnosť zabezpečuje spravodlivé a správne finančné transakcie.
• Systémy energetického manažmentu (EMS)Zariadenia používajú tieto CT na monitorovanie spotreby energie v rôznych oddeleniach alebo zariadeniach. Tieto údaje pomáhajú identifikovať neefektívnosť a optimalizovať spotrebu energie.
• Analýza kvality energieAnalyzátory kvality energie vyžadujú presné vstupy na diagnostiku problémov, ako sú harmonické a poklesy napätia. Pre tieto merania, najmä v systémoch stredného napätia, je frekvenčná odozva prístrojového transformátora kritická. Moderné analyzátory môžu potrebovať spoľahlivé údaje.až do 9 kHz, čo vyžaduje frekvenčne optimalizované transformátory na zachytenie celého harmonického spektra.

Poznámka k výberu:Pri výbere prúdového transformátora pre merač výkonu alebo analyzátor je kľúčových niekoľko faktorov.

• Kompatibilita výstupuVýstup prúdového transformátora (napr. 333 mV, 5 A) musí zodpovedať vstupným požiadavkám merača.
• Veľkosť nákladuRozsah prúdu prúdového transformátora by mal zodpovedať očakávanému zaťaženiu, aby sa zachovala presnosť.
• Fyzická zdatnosťCT musí fyzicky obopnúť vodič. Flexibilné Rogowského cievky sú praktickým riešením pre veľké prípojnice alebo stiesnené priestory.
• PresnosťPre fakturáciu je štandardná presnosť 0,5 % alebo lepšia. Pre všeobecné monitorovanie môže postačovať 1 %.

Kedy použiť ochranný CT

Inžinieri musia používať ochranný prúdový transformátor všade tam, kde je hlavným cieľom chrániť personál a zariadenia pred nadprúdmi a poruchami. Tieto prúdové transformátory sú navrhnuté tak, aby zostali funkčné aj počas extrémnych elektrických udalostí a poskytovali spoľahlivý signál ochrannému relé.

Medzi bežné aplikácie ochranných CT patria:

• Ochrana pred nadprúdom a zemným skratomTieto prúdové transformátory prúdu (CT) privádzajú signály do relé (ako napríklad ANSI Device 50/51), ktoré detekujú fázové alebo zemné poruchy. Relé potom vypína istič, aby izolovalo poruchu. V rozvádzačoch stredného napätia sa pomocou vyhradenéhoCT s nulovou sekvencioupre ochranu pred zemným skratom sa často odporúča pred zvyškovým pripojenímtrojfázové prúdové transformátoryZvyškové pripojenie môže viesť k falošným vypnutiam v dôsledku nerovnomerného nasýtenia počas štartovania motora alebo fázových porúch.
• Diferenciálna ochranaTáto schéma chráni dôležité zariadenia, ako sú transformátory a generátory, porovnaním prúdov vstupujúcich a vystupujúcich z chránenej zóny. Vyžaduje si zosúladené sady ochranných prúdových transformátorov.Moderné digitálne relédokáže kompenzovať rôzne zapojenia prúdového prúdu (Wye alebo Delta) a fázové posuny prostredníctvom softvérových nastavení, čo ponúka značnú flexibilitu v týchto zložitých schémach.
• Ochrana na diaľkuTáto schéma, ktorá sa používa v prenosových vedeniach, sa spolieha na ochranné prúdové transformátory na meranie impedancie poruchy. Nasýtenie prúdového transformátora môže toto meranie skresliť, čo spôsobí, že relé nesprávne odhadne polohu poruchy. Preto musí byť prúdový transformátor navrhnutý tak, aby sa počas merania zabránilo nasýteniu.

Podľa normy ANSI C57.13 musí štandardný ochranný prúdový transformátor odolávať až20-krátjeho menovitý prúd počas poruchy. To zabezpečuje, že dokáže dodať použiteľný signál do relé, keď je to najviac potrebné.

Vysoká cena nesprávneho výberu

Použitie nesprávneho typu prúdového transformátora je kritická chyba s vážnymi následkami. Funkčné rozdiely medzi meracími a ochrannými prúdovými transformátormi nie sú zameniteľné a nesúlad môže viesť k nebezpečným a nákladným výsledkom.

• Použitie meracieho CT na ochranuToto je najnebezpečnejšia chyba. Merací prúdový transformátor je navrhnutý tak, aby sa pri nízkych nadprúdoch nasýtil, aby chránil elektromer. Počas závažnej poruchy sa nasýti takmer okamžite. Nasýtený prúdový transformátor nedokáže reprodukovať vysoký poruchový prúd a ochranné relé nezaznamená skutočnú veľkosť udalosti. To môže viesť k oneskorenému vypnutiu alebo úplnému zlyhaniu prevádzky, čo má za následok katastrofické poškodenie zariadenia, požiar a riziko pre personál. Napríklad nasýtenie prúdového transformátora môže spôsobiť, že sa diferenciálne ochranné relé transformátora vypne.nesprávne fungovať, čo vedie k nechcenému vypnutiu počas vonkajšej poruchy.
• Použitie ochranného CT na meranieTáto voľba vedie k finančnej nepresnosti. Ochranný prúdový transformátor nie je navrhnutý pre presnosť pri normálnych prevádzkových prúdoch. Jeho trieda presnosti (napr. 5P10) zaručuje výkon pri vysokých násobkoch jeho menovitého prúdu, nie na spodnej hranici stupnice, kde pracuje väčšina systémov. Jeho použitie na fakturáciu by bolo ako meranie zrnka piesku metrom. Výsledné účty za energiu by boli nepresné, čo by viedlo k strate príjmov pre dodávateľa energie alebo k preplateniu pre spotrebiteľa.

Scenár kritického zlyhania:V schémach dištančnej ochrany spôsobuje saturácia CT, že relé meriavyššia impedancianež je skutočná hodnota. To efektívne skracuje ochranný dosah relé. Porucha, ktorá by mala byť okamžite odstránená, sa môže javiť ako vzdialenejšia porucha, čo spôsobí oneskorené vypnutie. Toto oneskorenie predlžuje zaťaženie elektrického systému a zvyšuje potenciál rozsiahleho poškodenia.

V konečnom dôsledku náklady na nesprávny výber prúdového transformátora ďaleko prevyšujú cenu samotného komponentu. Prejavujú sa zničením zariadenia, prevádzkovými prestojmi, nepresnými finančnými záznamami a ohrozením bezpečnosti.

Môže jeden prúdový transformátor slúžiť na meranie aj na ochranu?

Hoci meracie a ochranné prúdové transformátory majú odlišné konštrukcie, inžinieri niekedy potrebujú jedno zariadenie na vykonávanie oboch funkcií. Táto potreba viedla k vývoju špecializovaných dvojúčelových transformátorov, ktoré však prinášajú špecifické kompromisy.

Dvojúčelový (trieda X) CT

Špeciálna kategória, známa akoPrúdový transformátor triedy X alebo triedy PS, môžu slúžiť ako meracie aj ochranné funkcie. Tieto zariadenia nie sú definované štandardnými triedami presnosti ako 5P10. Namiesto toho je ich výkon určený súborom kľúčových parametrov, ktoré technik používa na overenie ich vhodnosti pre konkrétnu ochrannú schému.

Podľa noriem IEC, výkonnosť prúdového transformátora triedy X je definovaná ako:

• Menovitý primárny prúd
• Pomer otáčok
• Napätie v kolennom bode (KPV)
• Magnetizačný prúd pri špecifikovanom napätí
• Odpor sekundárneho vinutia pri 75 °C

Vďaka týmto vlastnostiam dokáže zariadenie ponúkať vysokú presnosť merania za normálnych podmienok a zároveň poskytuje predvídateľné napätie v bode prepätia pre spoľahlivú prevádzku relé počas porúch. Často sa používajú v schémach diferenciálnej ochrany s vysokou impedanciou, kde je potrebné presne poznať výkon.

Praktické obmedzenia a kompromisy

Napriek existencii prúdových transformátorov triedy X sa často vyhýba používaniu jedného zariadenia na meranie aj ochranu. Tieto dve funkcie majú zásadne protichodné požiadavky.

Merací prúdový transformátor je navrhnutý tak, aby sa včas nasýtil, aby chránil citlivé merače.ochrana CT je navrhnutáodolávať saturácii, aby sa zabezpečilo, že relé dokáže detekovať poruchu. Dvojúčelový prúdový transformátor musí dosiahnuť kompromis medzi týmito dvoma protichodnými cieľmi.

Tento kompromis znamená, že dvojúčelový prúdový transformátor nemusí plniť žiadnu z úloh tak dobre ako špecializovaná jednotka. Konštrukcia sa stáva zložitejšou a drahšou. Pre väčšinu aplikácií je spoľahlivejším a nákladovo efektívnejším riešením inštalácia dvoch samostatných, špecializovaných prúdových transformátorov – jedného na meranie a jedného na ochranu. Tento prístup zabezpečuje, že obefakturačný systéma bezpečnostný systém funguje bez kompromisov.

---

Voľba medzimeracie a ochranné prúdové transformátoryje jasné rozhodnutie založené na prevádzkovej priorite. Jeden zabezpečuje presnosť fakturácie, zatiaľ čo druhý zaisťuje spoľahlivosť počas poruchy. Výber správneho typu je nevyhnutný pre bezpečnosť systému, finančnú presnosť a životnosť zariadenia. Technici musia vždy porovnať špecifikácie prúdového transformátora s potrebami pripojeného zariadenia.

Akontrolný zoznam záverečného overeniazahŕňa:

1. Určenie primárneho prúduPrispôsobte prevodový pomer prúdového transformátora maximálnemu zaťaženiu.
2. Vypočítať záťažSčítajte zaťaženie všetkých pripojených komponentov.
3. Overte triedu presnostiVyberte správnu triedu merania alebo ochrany.

Často kladené otázky

Čo sa stane, ak zostane sekundárny obvod prúdového transformátora otvorený?

Prerušený sekundárny obvod vytvára nebezpečné vysoké napätie. Primárny prúd sa stáva magnetizujúcim prúdom, ktorý saturuje jadro. Tento stav môže zničiť prúdový transformátor a predstavuje vážne riziko úrazu elektrickým prúdom.

Bezpečnosť na prvom mieste:Pred odpojením akéhokoľvek prístroja od obvodu vždy skratujte sekundárne svorky.

Ako si inžinieri vyberajú správny pomer prúdového transformátora?

Inžinieri vyberajú prevodový pomer, pri ktorom sa normálny maximálny prúd systému blíži k primárnemu menovitému prúdu prúdového transformátora. Táto voľba zabezpečuje, že prúdový transformátor pracuje v rámci svojho najpresnejšieho rozsahu. Napríklad záťaž 90 A funguje dobre s prúdovým transformátorom 100:5 A.

Prečo nie je merací prúdový transformátor (CT) bezpečný z hľadiska ochrany?

Merací prúdový transformátor sa počas poruchy rýchlo nasýti. Nedokáže hlásiť skutočný poruchový prúd ochrannému relé. Relé potom nevypne istič, čo vedie k zničeniu zariadenia a vážnym bezpečnostným rizikám.

Môže jeden prúdový transformátor slúžiť na meranie aj na ochranu?

Špeciálne prúdové transformátory triedy X môžu slúžiť obom úlohám, ale ich konštrukcia je kompromisom. Pre optimálnu bezpečnosť a presnosť inžinieri zvyčajne inštalujú dva samostatné, vyhradené prúdové transformátory – jeden na meranie a jeden na ochranu.